Как тихоходки защищаются от радиации
У сверхустойчивых «водяных медведей» нашли белок, который защищает их ДНК от поломок, вызываемых радиацией и обезвоживанием.
Самыми выносливыми многоклеточными существами на Земле давно признали тихоходок – странных созданий размером от 0,1 до 1,5 мм. В англоязычной литературе их часто называют «водяными медведями», как их почему-то назвал один натуралист конца XVIII века. Внешне они похожи одновременно и на членистоногих, и на некоторых червей, однако их строение настолько своеобразно, что тихоходок выделили в отдельный тип животных.
На первый взгляд, в их образе жизни нет ничего необычного: предпочитают жить там, где влажно, и питаются, высасывая содержимое клеток растений, водорослей или других тихоходок. Однако, как оказалось, их можно найти в буквальном смысле везде: в Гималайских горах на высоте 6000 м, в океане на глубине 4000 м, в ледниках, в горячих источниках. Такая способность жить в совершенно разных условиях, очевидно, связана с неприхотливостью, выносливостью, стрессоустойчивостью. Но, когда выносливость тихоходок стали изучать более пристально, для биологов настала пора всерьёз удивиться: оказалось, что тихоходки несколько месяцев могут выдерживать температуру жидкого кислорода (-193°С), что они выдерживают давление 6000 атмосфер и выдерживают дозу радиоактивного излучения, которая более чем в тысячу раз больше той, что смертельна для человека. «Водяных медведей» отправляли в открытый космос, откуда многие из них возвращались живыми и даже сравнительно успешно размножались.
Естественно, сразу стало интересно, как это всё тихоходкам удаётся. Возникла гипотеза, что они сверхустойчивы благодаря особой форме анабиоза: находясь в неактивном, «спящем» состоянии, тихоходки теряют едва ли не всю воду (количество воды в анабиозе составляет всего 1% от нормального), и вот такое исключительное обезвоживание помогает им выдерживать самые неблагоприятные обстоятельства. Но дегидратация сама по себе опасна для ДНК, которая из-за высушивания начинает часто рваться, и у тихоходок должны быть какие-то белки, которые защищают или восстанавливают повреждённую пересушенную ДНК. С другой стороны, те же самые белки могли бы защищать геном и от радиоактивного излучения, которое опять же провоцирует разрывы в ДНК-цепочках.
Некоторые исследователи утверждали, что им удалось обнаружить в геноме тихоходок множество «чужих» генов, в том числе от архей и бактерий-экстремофилов, которые любят жить в экстремальных условиях – сам собой напрашивался вывод, что такие позаимствованные гены помогают тихоходкам переносить и давление, и низкие температуры, и прочее.
Но потом эти результаты были оспорены, так как возникло подозрение, что «чужая» ДНК, которая якобы есть в геноме «водяных медведей», действительно чужая, то есть представляет собой банальное загрязнение, возникшее из-за несовершенства методики эксперимента или не слишком аккуратного его исполнения.
Статья японских исследователей, опубликованная на днях в Nature Communications, во многом отвечает на вопрос, почему тихоходки так выносливы. Такекадзу Куниэда (Takekazu Kunieda) из Токийского университета и Атцуси Тоёда (Atsushi Toyoda) из Национального института генетики вместе с коллегами проанализировали ДНК Ramazzottius varieornatus, едва ли не самой выносливой их тихоходок, и пришли к выводу, что чужие гены составляют около 1,2% её генома.
Иными словами, масштабных генетическими заимствований в геноме тихоходок нет. Далее авторам работы удалось выяснить, что при обезвоживании никаких существенных изменений в генетической активности у этих животных не происходит. Активность генов оценивали по их транскрипции, то есть по количеству информационных РНК-копий, синтезируемых на участках ДНК и служащих матрицами для дальнейшей сборки белков. И на уровне транскрипции, по крайней мере, было незаметно, чтобы обезвоживание запускало у «водяных медведей» некие особые гены.
Но всё-таки какие-то механизмы стрессоустойчивости у тихоходок ведь есть? И вот самое интересное удалось обнаружить, когда стали искать конкретные гены, которые отвечали бы за их сверхвыносливость. Разные участки генома тихоходок помещали в клетки дрозофил и человека, после чего проверяли, повысится ли их устойчивость к ионизирующему излучению. В результате удалось выйти на ген, названный Dsup.
Белок, кодируемый геном Dsup, по последовательности аминокислот не похож ни на какие другие известные белки. При этом он как-то защищает ДНК от повреждений, которые могут с ней случиться при иссушении или при ионизирующей радиации – если белок Dsup есть в клетке, в ДНК появляется меньше разрывов. У человеческих клеток с Dsup внутри устойчивость к рентгеновскому излучению повышалась на 40%. Разумеется, ДНК самих тихоходок в присутствии Dsup тоже была намного более устойчивой к разрывам.
Радиация может повреждать геном двумя способами: либо напрямую, раскачав энергию химических связей в ДНК, либо опосредованно, через активные формы кислорода, которые появляются в клетке под действием ионизирующего излучения и которые портят биомолекулы, в том числе и ДНК. Оказалось, что Dsup защищает как от прямого радиационного вреда, так и от косвенного.
Исследователям удалось выяснить, что этот белок непосредственно связывается с ДНК и сидит на ней едва ли не постоянно, однако конкретный механизм того, как он её защищает, пока неясен. Может быть, он работает сам, а может, облегчает работу ферментам репарирующих систем, которые следят за целостностью генома и чья задача – своевременно ремонтировать всяческие ДНК-дефекты.
Очевидно, что полученные результаты представляют интерес не только с точки зрения фундаментальной науки. Многие заболевания (к примеру, рак) возникают из-за того, что защитные системы наших клеток не могут справиться с накапливающимися повреждениями в ДНК. Возможно, Dsup в будущем поможет нам решить ряд медицинских проблем; и, если дать волю воображению, можно представить, как генетически модифицированные астронавты с белком тихоходки внутри работают под открытым небом Марса, ничуть не боясь космической радиации.
22 сентября 2016
Статьи по теме:
