Программа перестройки генома записана в РНК
Программа перестройки генома записана в РНК
Южноамериканские биологи нашли, что геномные перестройки,
происходящие в ходе развития инфузории Oxytricha,
управляются программой, записанной
в молекулах РНК. Вводя в клеточку искусственно
синтезированные молекулы РНК, можнож преднамеренно
поменять рабочий геном, лежащий в великом ядре и
определяющий строение и поведение инфузории.
Программа перестройки генома записана в РНК
Южноамериканские биологи нашли, что геномные перестройки,
происходящие в ходе развития инфузории Oxytricha,
управляются программой, записанной
в молекулах РНК. Вводя в клеточку искусственно
синтезированные молекулы РНК, можнож преднамеренно
поменять рабочий геном, лежащий в большущем ядре и
определяющий строение и поведение инфузории. 2-ой геном, не
действующий, хранится в небольшом ядре и служит необыкновенно
для передачи генов потомству. Открытие представило, что большущая и
чрезвычайно главная количество потомственной инфы у инфузорий
подается сообща с молекулами РНК, препровождающими
собой копии хромосом великого ядра.
Поры, иногда любые конфигурации генома рассчитывались безусловно
случайными, издавна канули в прошедшее. Сейчас отлично
понятно, что живая клеточка владеет великим арсеналом средств,
дозволяющих править генетическими переменами. Вот только
немножко образцов:
-
Бактерии могут преднамеренно наращивать частоту
мутирования при неблагоприятных соглашениях. -
Некие бактерии нарочно перестраивают гены близких
поверхностных белков, чтоб покинуть из-под удара иммунной
порядка. -
Клеточки иммунной порядка преднамеренно меняют личный геном,
творя гены новейших антител и Т-клеточных рецепторов методом
перекомбинирования фрагментов ДНК и гипермутирования. -
Подвижные генетические ингредиенты, ежели пустить им волю,
способны переворошить целый геном, но клеточка может
регулировать их активность по свойскому усмотрению. -
Метилирование ДНК один-одинешенек из
эпигенетических устройств регуляции активности
генов прогнозируемым образом влияет на возможность
мутирования отдельных нуклеотидов.
Один-одинешенек из самых изумительных образцов целенаправленной
перестройки генома приходит формирование макронуклеуса
(великого ядра) у инфузорий. Элементы теснее обращались
к данной теме в прошедшем году.
За прошедший год наука чрезвычайно далековато продвинулась
в осознании управляемых геномных перестроек
у инфузорий. Новенькая статья южноамериканских биологов,
размещенная в журнальчике Nature, препровождает
собой чрезвычайно принципиальный прорыв в данной нам области.
Инфузории самые трудные из одноклеточных организмов, и
вообще верхотура того, что смогла сделать эволюция на
одноклеточном степени. Строение инфузорий во многом
припоминает многоклеточных, подарком что клеточка в итоге одна.
К примеру, у многоклеточных животных распознают линию
генеративных клеток, геном тот или другой остерегается
от всяческих конфигураций (ведь конкретно этот геном будет
передан по наследству отпрыскам), и соматические клеточки,
геном тот или другой может изменяться по мере надобности
(к примеру, могут метилироваться либо совсем выбрасываться
какие-то доли генома, не нужные в предоставленной ткани либо
органе, либо могут происходить трудные целенаправленные
перестройки, как в лимфоцитах). Генетические конфигурации
соматических клеток в норме не даются
по наследству. У инфузорий тоже грызть два
генома генеративный и вегетативный (соматический).
1-ый хранится в малюсеньком ядре (микронуклеусе),
хранит кучу транспозонов и некодирующих участков, и
в целом находится в нерабочем состоянии, ежели не
сказать в полном беспорядке. К примеру, почти все гены
в нем разорваны на кусы и перемешаны в таковой
клубок, что никаким
сплайсингом не распутать. Но, тем более, это
обычный, желая и сильно запущенный, великий эукариотический
геном. Кстати, число генов у инфузорий и у жителя нашей планеты
приблизительно в равной мере (порядка 30 тыщ). Геном
микронуклеуса, природно, не функционирует (он и не
смог бы), и служит только лишь для передачи генов потомству
при половом размножении.
Вегетативный (соматический, рабочий) геном инфузории хранится
в большущем ядре (макронуклеусе) и по почти всем
характеристикам сильно различается от иных эукариотических
геномов. У инфузории Oxytricha, тот или иной посвящена
обговариваемая статья, он состоит из почти всех тыщ отдельных
нанохромосом. Это истинные хромосомы, только лишь чрезвычайно
малолетние, традиционно держащие в итоге один-одинешенек ген. Любая
нанохромосома, либо МАК-хромосома, находится
в макронуклеусе в чрезвычайно большущем числе копий.
Сообразно, и целый вегетативный геном часто
сдублирован, то грызть макронуклеус приходит полиплоидным
(микронуклеус диплоидное ядро).
По масштабу вегетативный геном окситрихи в целых
20 разов младше генеративного (50 млн и 1 миллиардов
пар оснований сообразно; для сопоставления,
у человека 3 миллиардов, у бактерий
традиционно до 10 млн). Этакое радикальное сокращение
достигается нетрудно за счет выбрасывания
из генеративного генома в итоге лишнего.
Инфузории плодятся дроблением, при этом делятся два
ядра. Период от поры инфузории конъюгируют
объединяются по двое, чтоб поменяться потомственным
субстанцией (конъюгация особенная разновидность полового
процесса). Во период конъюгации микронуклеус претерпевает
мейоз, то грызть этакое разделение, в ходе тот или иной число
хромосом сокращается в два раза. Соединившиеся инфузории
обмениваются половинками близких микронуклеусов. Эти половинки
потом соединяются, и любая инфузория приобретает один-одинешенек целый
микронуклеус, в тот или иной половина хромосом ее
собственная, а половина заработана от напарника. Потом
инфузории разъединяются и продолжают жить как жили, с той
незначительный различием, что с точки зрения генетики любая
из их сейчас перевоплотился в свойскую свою дочь.
Во период конъюгации либо немедленно потом нее макронуклеус
сообща со близким геномом разрушается, а потом
восстанавливается поновой. За основание берется генеративный
геном микронуклеуса, но он при этом подвергается
конструктивной перестройке. 95% генеративного генома нетрудно
удаляется. На выброс идут фактически все транспозоны и
некодирующие последовательности. Остаются девственные гены, практически
без примесей. Но реорганизация генома не сводится к
удалению мусора. Происходит также распутывание сборка
действующих генов из разрозненных и перепутанных обрывков. Как
мы помним, почти все гены в генеративном геноме разорваны
на маленькие куски и перемешаны. В интервалах меж
этими кусками могут находиться рослые некодирующие вставки.
Это не средние
интроны, тот или иной удаляются при сплайсинге (интроны
у инфузорий тоже грызть, но они входят в состав
хранимых фрагментов). Это особенные, отличительные только лишь для
инфузорий лишние кусы генома, устраняемые при формировании
вегетативного генома макронуклеуса.
К примеру, в генеративном геноме ген может располагать экую
структуру: 2X7X5X4X8X1X3X6 (цифрами обозначены рабочие
фрагменты гена, буковкой X ненужные вставки разной
длины). В вегетативном геноме этот ген будет смотреться
так: 12345678.
Откуда клеточка знает, в каком порядке необходимо связывать
обрывки? До этого времени ответа на этот вопросец
не водилось.
Исследователи из
Принстонского
института нашли, что для распутывания
генетической инфы инфузории применяют эталоны
(матрицы), представляющие из себя молекулы РНК, считанные
с нанохромосом макронуклеуса (МАК-хромосом) перед тем,
как макронуклеус был разрушен.
|
Чтоб это узнать, довелось провести максимум трудных
тестов.
Для проверки гипотезы о роли РНК-матриц в сборке МАК-хромосом
исследователи пользовались способом
РНК-интерференции. Инфузорий кормили
генно-измененными микробами, производящими
двухцепочечные молекулы РНК, совпадающие по
последовательности нуклеотидов с фрагментом одной из
МАК-хромосом. Эукариотические клеточки касаются к
двухцепочечным РНК с опаской, зачисляют их
за вирусов и начинают истреблять все РНК
с таковой последовательностью нуклеотидов, в том числе
и средние, одноцепочечные. На этом базирована методика
выключения генов. Мысль состояла в том, что, поев
микробов, инфузория сама убьет одну из РНК-матриц,
нужных ей для конструкции МАК-хромосом. Так и вышло.
В итоге потом конъюгации вышли инфузории,
у тот или другой подходящий участок одной из МАК-хромосом
оказался собран ошибочно либо вообщем не собран нетрудно
оставлен в том внешности, в каком он был
в МИК-хромосоме. При всем этом все другие МАК-хромосомы
имелись собраны верно.
Стало водиться, РНК-матрицы вправду участвуют
в программируемой перестройке генома. Но что они собой
представляют приходят ли они копиями целых нанохромосом
либо отдельных их участков?
Исследователи замерзли выделять и анализировать РНК
из инфузорий на различных стадиях жизненного цикла.
Выяснилось, что сквозь немножко часов потом конъюгации (как
разов тогда, иногда давнишний макронуклеус разрушается, а новейший
начинает формироваться) в клеточках возникают рослые
транскрипты (молекулы РНК), подходящие целым
МАК-хромосомам сообща с концевыми участками
теломерами. Сквозь 3050 часов потом конъюгации эти
транскрипты пропадают.
Таковым образом, перед тем как убить макронуклеус сообща
с вегетативным геномом, клеточка снимает резервную копию
с каждой МАК-хромосомы. Эта копия, доставляющая собой
молекулу РНК, в предстоящем применяется как эталон
для конструкции новейших малеханьких и осторожных МАК-хромосом
из того безобразия, тот или другой записано
в МИК-хромосомах.
Последующий вопросец состоял в том, как верно
РНК-матрицы регулируют процесс конструкции МАК-хромосом и можнож ли
править сиим действием, внедряя в клеточку искусственные
РНК-матрицы? Исследователи синтезировали немножко
молекул РНК, схожих на настоящие РНК-матрицы, но
с модифицированным порядком фрагментов. К примеру, ежели для
МИК-гена со структурой 2X7X5X4X8X1X3X6 верная
РНК-матрица располагает вид 12345678, то в искусственной
матрице какую-нибудь пару фрагментов меняли там-сям (к примеру,
так: 13245678).
Впрыскивание эких матриц в инфузорий потом конъюгации
приводило к формированию МАК-хромосом 2-ух разновидностей: одни
воссоздавали верный порядок фрагментов (ведь правильные
матрицы из клеток не удалялись), другие тот,
тот или другой находился в искусственных матрицах. Напомним,
что любая МАК-хромосома в макронуклеусе находится
в неограниченном количестве копий. Таковым образом, РНК-матрицы
исполняют очень исполнительное управление действием конструкции
МАК-хромосом, и с помощью искусственных матриц можнож
устремлять этот процесс в желанную сторонку.
Последующий принципиальный вопросец: регулируют ли РНК-матрицы сборку
только лишь тех генов, тот или иной в генеративном геноме
перемешаны (то грызть располагают ошибочный порядок
фрагментов) либо же этот механизм всепригоден и приспосабливается
ко цельным генам без исключения?
Исследователи сделали и ввели в инфузорий РНК-матрицы
с ошибочным порядком фрагментов для тех генов, тот или иной
в генеративном геноме не перемешаны и поэтому
в распутывании не нуждаются (из их необходимо только лишь
вырезать лишние кусы). В итоге подходящие гены
в МАК-хромосомах оказались ошибочно собраны. Следственно,
механизм всепригоден.
Из этого, кстати, надлежит занимательный эволюционный заключение.
Так как у инфузорий теснее развилась всепригодная порядок
распутывания измельченных и перепутанных генов, предстоящая
фрагментация МИК-генов и перестановки их чисел теснее не будут
отсеиваться отбором. Ведь грызть распутывающий механизм, ему вс
в равной мере, он все исправит. Видимо, поэтому-то МИК-геномы инфузорий
и пришли равномерно в состояние беспорядка.
Смотря на набросок, можнож осознать, что порядок вначале могла
развиться нетрудно для удаления излишних кусочков генома,
а распутывающая функция ее показалась при этом
автоматом, сама собой, как некоторый довесок вначале
ненадобный, но позже ставший нужным.
Таковым образом, информация о последовательности,
в тот или иной необходимо сшивать обрывки генов генеративного
генома, подается потомству инфузорий неклассическим
способом в внешности молекул РНК. А ведь это
не экая уж четвертинка количество потомственной инфы!
Могут ли РНК-матрицы передавать потомству также и информацию
о последовательности отдельных нуклеотидов? До сих
пор речь у нас шла только лишь о последовательности
фрагментов генов, то грызть о кусочках длиной
в 10-ки и сотки нуклеотидов. Каждый ген, как понятно,
может жить в внешности пары вариантов (аллелей),
распознающихся единичными нуклеотидными подменами либо вставками.
Потому соответствие РНК-матрицы и собираемых на ее
базе МАК-хромосом далековато не постоянно приходит безусловным.
Отдельные нуклеотиды могут распознаваться, и это не мешает
правильной сборке.
В принципе, не исключено, что какие-то нуклеотидные
подмены могут подаваться из РНК-матрицы в собираемую
МАК-хромосому. Окончательно, инфузориям нет смысла выносить
в МАК-хромосому все различия такового рода. Ведь тогда
МАК-хромосомы потом конъюгации оставались бы целиком
схожими материнским, и конъюгация растеряла бы всякий
смысл. Но, как выяснилось, некие нуклеотидные подмены
все-таки переносятся в МАК-хромосомы из РНК-матриц.
Это, но, происходит не по цельной длине собираемого
гена, а только лишь в прямой близости
от участков сшивки фрагментов. Это чрезвычайно принципиальный факт,
однозначно свидетельствующий о том, что в сшивке
кусочков ДНК у инфузорий воспринимает роль только лишь
что искренний (у дрожжей) механизм починки ДНК
на базе РНК-матриц.
Могут ли сходственные порядка редактирования генома, основанные на
применении РНК-матриц, функционировать и у иных организмов,
а не совсем только у инфузорий? Зачем бы и нет? Необходимо находить.
Череда открытий бранных лет однозначно указывает, что живая
клеточка по-минувшему скрывает в для себя множество неведомых нам
молекулярных устройств, в том числе и эких, тот или иной
применяются для целенаправленного конфигурации собственного
генома.
Источник : Mariusz Nowacki, Vikram Vijayan, Yi Zhou, Klaas
Schotanus, Thomas G. Doak, Laura F. Landweber.
)
Posted in ЭкоБиология by admin with comments disabled.