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. 2-ой геном, не
функционирующий, хранится в маленьком ядре и служит необыкновенно
для передачи генов потомству. Открытие изобразило, что великая и
чрезвычайно принципиальная число потомственной инфы у инфузорий
подается вкупе с молекулами РНК, препровождающими
собой копии хромосом великого ядра.
Эпохи, иной раз любые конфигурации генома числились полностью
случайными, издавна канули в прошедшее. Сейчас ладно
не секрет, что живая клеточка владеет большущим арсеналом средств,
дозволяющих править генетическими переменами. Вот только
немного образцов:
-
Бактерии могут преднамеренно наращивать частоту
мутирования при неблагоприятных критериях. -
Некие бактерии нарочно перестраивают гены родных
поверхностных белков, чтоб оставить из-под удара иммунной
налаженности. -
Клеточки иммунной налаженности 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 цельный геном, но клеточка может
регулировать их активность по близкому усмотрению. -
Метилирование ДНК один-одинешенек из
эпигенетических устройств регуляции активности
генов прогнозируемым образом влияет на возможность
мутирования отдельных нуклеотидов.
Один-одинешенек из самых дивных 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 главный прорыв в данной нам области.
Инфузории самые трудные из одноклеточных организмов, и
вообще вершина 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 иной остерегается
от всяческих конфигураций (ведь конкретно этот геном будет
передан по наследству отпрыскам), и соматические клеточки,
геном тот или иной может изменяться по мере надобности
(к примеру, могут метилироваться либо совсем выбрасываться
какие-то количества генома, не нужные в предоставленной ткани либо
органе, либо могут происходить трудные целенаправленные
перестройки, как в лимфоцитах). Генетические конфигурации
соматических клеток в норме не подаются
по наследству. У инфузорий тоже грызть два
генома генеративный и вегетативный (соматический).
Основной хранится в малюсеньком ядре (микронуклеусе),
держит 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 кусочки и перемешаны в таковой
клубок, что никаким
сплайсингом не распутать. Но, тем более, это
обычный, жаждая и сильно запущенный, крупный эукариотический
геном. Кстати, число генов у инфузорий и у жителя нашей планеты
приблизительно в равной мере (порядка 30 тыщ). Геном
микронуклеуса, природно, не действует (он и не
смог бы), и служит только лишь для передачи генов потомству
при половом размножении.
Вегетативный (соматический, рабочий) геном инфузории хранится
в великом ядре (макронуклеусе) и по почти всем
характеристикам сильно выдается от вторых 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
малюсенькие, обыкновенно хранящие в итоге один-одинешенек ген. Любая
нанохромосома, либо МАК-хромосома, находится
в макронуклеусе в чрезвычайно великом численности копий.
Согласно, и цельный 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 согласно; для сопоставленья,
у человека 3 миллиардов, у бактерий
обыкновенно до 10 млн). Этакое радикальное сокращение
достигается легко за счет выбрасывания
из генеративного генома в итоге лишнего.
Инфузории плодятся дроблением, при этом делятся два
ядра. Пора от периода инфузории конъюгируют
сплачиваются по двое, чтоб поменяться потомственным
субстанцией (конъюгация предназначенная разновидность полового
процесса). Во пора конъюгации микронуклеус претерпевает
мейоз, то грызть этакое разделение, в ходе тот или другой число
хромосом сокращается в два раза. Соединившиеся инфузории
обмениваются половинками родных микронуклеусов. Эти половинки
потом соединяются, и любая инфузория зарабатывает 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 близкую свою дочь.
Во пора конъюгации либо немедленно затем нее макронуклеус
вкупе со родным геномом разрушается, а потом
восстанавливается поновой. За базу берется генеративный
геном микронуклеуса, но он при этом подвергается
конструктивной перестройке. 95% генеративного генома легко
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 длинноватые некодирующие вставки.
Это не обыденные
интроны, тот или другой удаляются при сплайсинге (интроны
у инфузорий тоже грызть, но они входят в состав
хранимых фрагментов). Это предназначенные, отличительные только лишь для
инфузорий лишние кусочки генома, устраняемые при формировании
вегетативного генома макронуклеуса.
К примеру, в генеративном геноме ген может обладать 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 объединять
обрывки? До этого времени ответа на этот вопросец
не имелось.
Исследователи из
Принстонского
института определили, 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 самое большее 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 иметь отношение к
двухцепочечным РНК с опаской, встречают их
за вирусов и начинают истреблять все РНК
с таковой последовательностью нуклеотидов, в том числе
и обыденные, 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 затем конъюгации вышли инфузории,
у тот или иной подходящий участок одной из МАК-хромосом
оказался собран ошибочно либо вообщем не собран легко
оставлен в том облике, в каком он был
в МИК-хромосоме. При всем этом все другие МАК-хромосомы
водились собраны верно.
Стало иметься, РНК-матрицы вправду участвуют
в программируемой перестройке генома. Но что они собой
представляют приходят ли они копиями целых нанохромосом
либо отдельных их участков?
Исследователи встали выделять и анализировать РНК
из инфузорий на различных стадиях жизненного цикла.
Выяснилось, что сквозь немного часов затем конъюгации (как
разов тогда, иной раз ветхий макронуклеус разрушается, а новейший
начинает формироваться) в клеточках возникают длинноватые
транскрипты (молекулы РНК), надлежащие целым
МАК-хромосомам вкупе с концевыми участками
теломерами. Сквозь 3050 часов затем конъюгации эти
транскрипты пропадают.
Эким образом, перед тем как убить макронуклеус вкупе
с вегетативным геномом, клеточка снимает резервную копию
с каждой МАК-хромосомы. Эта копия, доставляющая собой
молекулу РНК, в предстоящем употребляется как эталон
для конструкции новейших малолетних и осторожных МАК-хромосом
из того безобразия, тот или другой записано
в МИК-хромосомах.
Надлежащий вопросец состоял в том, как метко
РНК-матрицы регулируют процесс конструкции МАК-хромосом и можнож ли
править сиим действием, внедряя в клеточку искусственные
РНК-матрицы? Исследователи синтезировали немного
молекул РНК, схожих на настоящие РНК-матрицы, но
с модифицированным порядком фрагментов. К примеру, ежели для
МИК-гена со структурой 2X7X5X4X8X1X3X6 верная
РНК-матрица обладает вид 12345678, то в искусственной
матрице какую-нибудь пару фрагментов меняли там-сям (к примеру,
так: 13245678).
Впрыскивание эких матриц в инфузорий затем конъюгации
приводило к формированию МАК-хромосом 2-ух видов: 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. Эким образом, РНК-матрицы
исполняют очень четкое управление действием конструкции
МАК-хромосом, и с помощью искусственных матриц можнож
обращать этот процесс в желанную страну.
Надлежащий главный вопросец: регулируют ли РНК-матрицы сборку
только лишь тех генов, тот или другой в генеративном геноме
перемешаны (то грызть обладают неверный порядок
фрагментов) либо же этот механизм всепригоден и приноравливается
ко цельным генам без исключения?
Исследователи сделали и ввели в инфузорий РНК-матрицы
с ошибочным порядком фрагментов для тех генов, тот или другой
в генеративном геноме не перемешаны и поэтому
в распутывании не нуждаются (из их необходимо только лишь
вырезать лишние кусочки). В итоге надлежащие гены
в МАК-хромосомах оказались ошибочно собраны. Следовательно,
механизм всепригоден.
Из этого, кстати, должно увлекательный эволюционный решение.
Так как у инфузорий теснее развилась всепригодная порядок
распутывания измельченных и перепутанных генов, предстоящая
фрагментация МИК-генов и перестановки их количеств 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 легко для удаления излишних кусочков генома,
а распутывающая функция ее появилась при этом
автоматом, сама собой, как некоторый довесок вначале
негодный, но позже ставший нужным.
Эким образом, информация о последовательности,
в тот или иной необходимо сшивать обрывки генов генеративного
генома, подается потомству инфузорий неклассическим
способом в облике молекул РНК. А ведь это
не этакая уж четвертушка число 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 кусах длиной
в 10-ки и сотки нуклеотидов. Каждый ген, как не секрет,
может быть в облике пары вариантов (аллелей),
отличающихся единичными нуклеотидными подменами либо вставками.
Потому соответствие РНК-матрицы и собираемых на ее
основанию 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 даваться из РНК-матрицы в собираемую
МАК-хромосому. Окончательно, инфузориям нет смысла выносить
в МАК-хромосому все различия этакого рода. Ведь тогда
МАК-хромосомы затем конъюгации оставались бы вполне
схожими материнским, и конъюгация растеряла бы всякий
смысл. Но, как выяснилось, некие нуклеотидные подмены
все-таки переносятся в МАК-хромосомы из РНК-матриц.
Это, все-таки, происходит не по цельной длине собираемого
гена, а только лишь в конкретной близости
от участков сшивки фрагментов. Это чрезвычайно главный факт,
однозначно свидетельствующий о том, что в сшивке
кусочков ДНК у инфузорий зачисляет роль только лишь
что прямой (у дрожжей) механизм починки ДНК
на основанию РНК-матриц.
Могут ли сходственные налаженности редактирования генома, основанные на
употреблении РНК-матриц, действовать и у вторых организмов,
а не только лишь у инфузорий? Отчего бы и нет? Необходимо разыскивать.
Череда открытий заключительных лет однозначно указывает, что живая
клеточка по-былому скрывает в для себя множество неведомых нам
молекулярных устройств, в том числе и эких, тот или другой
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.