Знакомые всем по школьному курсу биологии инфузории-туфельки помогли разрешить одну из важных задач эпигенетики и задуматься о перспективах увеличения информационной емкости генома.

Эти одноклеточные известны тем, что половой процесс у них проходит без размножения, а размножение без полового процесса. Конъюгация, или половой процесс, впервые был описан 75 лет назад американским генетиком Трейси Соннборном, который наблюдал, как инфузории Paramecium двух разных линий слипались в большие комки и затем разбивались на пары. Каждую пару образовывали клетки противоположных типов спаривания, названные Е и О, или четный и нечетный. Но в результате такого парного общения никаких новых особей не появляется, поэтому и говорят, что это половой процесс, но без размножения.

На обложке журнала «Nature» от 22 мая 2014 года – пара инфузорий во время полового процесса. Реснички клеток противоположных типов спаривания окрашены в разные цвета.

Схема материнского наследования типов спаривания.

Коньюгирующие инфузории (окраска ацетокармином).

Действительная цель же конъюгации – обмен генетической информацией. Инфузории отдают друг другу копию всей своей ДНК, однако при этом, несмотря на присутствие чужой ДНК, тип спаривания у инфузорий сохраняется тот же, что и был, и при дальнейшем размножении дочерние клетки будут принадлежать к тому же типу спаривания (грубо говоря, к тому же «полу»), что и материнская клетка.  

 Почему так происходит? Отвечает на этот вопрос исследование, проведенное международной научной группой под руководством лидера в области молекулярной генетики инфузорий Эрика Майера. Результаты опубликованы в журнале Nature.  

Оказалось, что устойчивость типа спаривания обеспечивается тем же механизмом, что защищает геном инфузорий от транспозонов. У всех живых организмов есть ДНК, которая называется мусорной и функции которой до конца так и не выяснены. Однако известно, что заметную ее часть мусорной ДНК составляют транспозоны и прочие так называемые мобильные элементы – особого рода последовательности, которые могут случайным образом копировать самих себя и расселяться по геному.

Если такой транспозон вдруг прыгнет внутрь какого-нибудь гена, то с очень большой вероятностью этот ген просто перестанет работать. У человека известно 96 заболеваний, причина которых именно в таких вот прыгающих последовательностях. Для других организмов мигрирующая ДНК тоже не безопасна, а потому в ходе эволюции выработались особые механизмы, которые защищают жизненно важную ДНК от разрушительного действия транспозонов.  

Инфузории примечательны тем, что у них есть два ядра: макронуклеус, обеспечивающий повседневную жизнь одноклеточного, и микронуклеус, участвующий в половом процессе. С точки зрения качественного состава генов оба ядра одинаковы, просто в макронуклеусе содержится несколько копий хромосом инфузории, а микронуклеусе – только по две копии. Кроме того, в ДНК макронуклеуса вся мусорная ДНК удалена. И есть специальные молекулы, которые держат её под контролем, – это сканирующие РНК, или сканРНК. Они синтезируются в микронуклеусе, полностью перекрывая его геном. Затем отправляются в макронуклеус и сканируют его ДНК. Их цель – найти последовательности, которых раньше здесь не было. Если такая последовательность нашлась, сканРНК метят её как «лишнюю», то есть потенциально опасную. Затем специальные ферменты распознают эти метки и удаляют лишнюю ДНК из макронуклеуса. Так с помощью РНК-сканирования инфузории защищают от транспозонов гены, которыми они постоянно пользуются.

Поскольку разнообразные регуляторные РНК, к которым относятся и сканРНК, входят в число так называемых эпигенетических регуляторов генетической активности, то в этом случае можно говорить об эпигенетической защите от транспозонов. Аналогичные системы защиты генома от транспозонов, ключевую роль в которых играют малые РНК, недавно обнаружены и у многоклеточных животных.  

При чём же тут типы наследования? Эксперименты по генетическому анализу клонов-мутантов по типам спаривания, приведшие к выявлению мутации, которая нарушала экспрессию исследуемого гена у одного из таких клонов, проводил доцент Санкт-Петербургского государственного университета Алексей Потехин. Начавшееся в 2010 году сотрудничество с исследовательской группой Майера продолжается, и сейчас в СПбГУ осуществляется целый ряд проектов, связанных с исследованиями, которые проводит Майер и его коллеги в Париже.

«У инфузории-туфельки Paramecium tetraurelia обнаружен ген mtA, кодирующий белок, наличие которого определяет клетку инфузории к Е-типу спаривания. У клеток О-типа гена mtA нет, так как у него последовательность ДНК, содержащая промотор гена mtA, имеет небольшое случайное сходство с транспозонами, и может быть удалена из генома макронуклеуса наряду с настоящими транспозонами при РНК-сканировании. Если это происходит, то в следующих поколениях эта последовательность уже будет считаться ненужной и всегда удаляться при развитии макронуклеуса – ведь она уже утеряна из его «чертежа». В итоге ген mtA молчит, и клетка имеет наследуемый О-тип спаривания.

Оказалось, что древний механизм защиты генома от транспозонов вовлечен в регуляцию работы клеточных генов, обеспечивая, в частности, загадочное материнское наследование типов спаривания у инфузории-туфельки», – рассказал Алексей Потехин о деталях исследования.  

То есть молекулярный механизм, чья задача – следить за потенциально опасными транспозонами, может влиять и на активность обычных генов, если в них вдруг есть какое-то сходство с прыгающими ДНК-последовательностями. (В случае с инфузориями этими генами оказались те, что определяют тип спаривания.) При этом важную роль играет, каким чертежом руководствуется этот механизм, с чем он сравнивает проверяемую ДНК.

Инфузориям все равно, какого «пола» – О или Е им быть. Но возможно, что подобным образом регулируются и другие гены. Наличие такого эпигенетического механизма наследования признаков при помощи малых РНК открывает новые возможности для повышения информационной емкости генома, так как один и тот же ген можно прочитать разными способами или «выключить» в ряду поколений. 

Фото  предоставлены Алексеем Потехиным.