Открыто одноклеточное, разрушающее и полностью перестраивающее свой геном

Согласно новым данным, полученным в ходе исследования команды из Принстонского университета, в природе существует уникальный одноклеточный организм, способный полностью разрушить и перестроить свой геном. Таким необычным умением обладает вид Oxytricha trifallax, обитающая в стоячих водах.

Единственная клетка организма содержит ДНК из почти четверти миллиона оснований, и все они перестраиваются, когда приходит время спаривания. Геном O. trifallax сохраняется в виде разрозненных генетических единиц, а после спаривания собирается новая комбинация ДНК из 225 тысяч крошечных нитей. Всё это происходит в течение примерно 60 часов.

"Способность организма разобрать и быстро собрать свои собственные гены является необычайно сложной для любой формы жизни. А то, что таким умением обладает один из простейших организмов на Земле, лишь подчёркивает истинное разнообразие жизни на нашей планете", — говорит ведущий автор исследования Лаура Ландвебер (Laura Landweber), профессор экологии и эволюционной биологии из Принстонского университета.

По словам учёных, этот организм — пример попытки жизни перейти к более сложному эволюционному уровню, оставаясь одноклеточной. Существуют и другие примеры реорганизации генома в природе, однако O. trifallax, определённо, является рекордсменом по сложности исполнения этого фокуса.

С практической точки зрения O. trifallax является модельным организмом. Одноклеточное может послужить образцом для понимания того, как хромосомы у более сложных организмов, например, у людей, "рассыпаются" и собираются обратно. Такой механизм может иметь место во время развития раковых опухолей. Но, в то время как динамика реорганизации хромосом в раковых клетках может быть непредсказуемой и хаотичной, O. trifallax демонстрирует упорядоченную модель реконструкции хромосом.

Одноклеточные организмы O. trifallax обитают в прудах на поверхности водорослей и умеет пересобирать свой геном, словно мозаику (иллюстрация John Bracht, American University, Robert Hammersmith, Ball State University).

"Если речь идёт о человеческом организме, то реорганизация генома это почти всегда плохо, поскольку строгий порядок построения оснований ДНК нарушается. Но одноклеточный организм использует биологические механизмы, направленные на упорядочивание хромосом, чтобы сконструировать новый геном, не хуже старого", — поясняет Ландвебер, которая использовала методику секвенирования Pacific Biosciences, позволяющую "прочесть" длинные единичные молекулы.

Биологи, не принимавшие участия в данном исследовании, утверждают, что работа Ландвебер и её коллег показывает: генетическая информация организма может претерпевать существенные изменения, прежде чем она на самом деле будет использована для построения компонентов живой клетки.

Помимо сложности своих генных манипуляций, O. trifallax обладает и другими отличительными чертами. Это крупная клетка, размер которой примерно в 10 раз превышает размер средней человеческой клетки. Также организм содержит два ядра вместо одного, а сами ядра клетки не регулируют внутреннюю деятельность и, как правило, содержат ДНК и гены, которые передаются потомству во время воспроизведения.

Единичная клетка O. trifallax сохраняет свою активную ДНК внутри одного рабочего ядра и использует второе для хранения "архивного" генетического материала и передачи его следующему поколению. Именно геном второго ядра, так называемой зародышевой линии, подвергается реорганизации для последующего создания нового рабочего ядра для потомства.

"Интересно, что O. trifallax использует процесс спаривания только для обмена генетической информацией, но не для самовоспроизведения. Во время секса два организма сливаются вместе, чтобы поделиться половиной своей генетической информации. Каждая клетка стремится заменить стареющие гены новыми и для того использует материал своего партнёра. Вместе обе клетки строят затем новые рабочие ядра с обновлённым набором хромосом. Это омолаживает их и диверсифицирует генетический материал, что очень хорошо для будущего организма", — рассказывает Ландвебер в пресс-релизе.

Представители вида O. trifallax спариваются только для обмена генетической информацией (фото Wikimedia Commons).

Во время этого процесса перемешанные гены в ядре зародышевой линии сортируются и образуют около 225 тысяч небольших сегментов ДНК, каждый из которых используют партнёры для восстановления своих омолодившихся хромосом. Работы учёных показали, что миллионы некодирующих молекул РНК от предыдущего поколения помогают этому процессу, маркируя и сортируя участки ДНК в правильном порядке.

"Не менее поразительна и сама сложность генома. У O. trifallax ДНК содержит около 16 тысяч хромосом в активном ядре, тогда как человеческие клетки располагают только 46 хромосомами. Большинство хромосом организма содержат только один ген, но даже эти гены могут играть важную роль в биологических процессах. Каждый ген этой клетки может состоять из любой комбинации отдельных участков ДНК, в количество от одного до 245", — говорит Ландвебер, чья статья вышла в журнале Cell.

Исключительная генетика O. trifallax позволяет ей передавать по наследству исключительно здоровый материал. По этой причине организм очень распространён по всему миру. По мнению учёных, человеческому телу есть чему поучиться у таких одноклеточных.

Вполне возможно, что когда-нибудь биологи и генетики разберутся в этом процессе настолько хорошо, что смогут с его помощью создавать уникальные генно-модифицированные организмы.