Миноги жонглируют собственным геномом
Миноги пополнили очень короткий список ядерных организмов, клетки которых содержат разные ДНК. Для дифференциации клеток они не занимаются блокировкой генов или производства белков, а просто вырезают ненужные участки генома.
Почти все сто триллионов клеток в нашем организме обладают абсолютно одинаковым геномом. Удивительно, как при этом им удалось достичь такого многообразия форм, размеров и свойств. Миногам пришлось попроще: как показали Крис Амемия из Университета Вашингтона и его коллеги, эти круглоротые паразиты научились активно перестраивать свой геном, «выбрасывая» из него во время развития миллионы пар «букв-нуклеотидов».
Все как одна
Геном будущего организма формируется в момент слияния сперматозоида и яйцеклетки. Так как образовавшаяся зигота в дальнейшем делится исключительно митозом (бесполовым способом), неотъемлемым этапом которого является удвоение хромосом, то содержание ДНК в каждой дочерней клетке ничем не отличается от материнской. Конечно, в этом правиле достаточно исключений: например, при каждом делении хромосомы «несмысловые» последовательности на краях хромосом – теломеры -- немного укорачиваются; половые клетки, образующиеся в ходе мейоза, обладают «мозаично» перестроенным геномом, а вероятность возникновения точечных мутаций в процессе удвоения ДНК гораздо больше, особенно под действием ультрафиолета или других мутагенов.
Но все эти перестройки, во-первых, случайны – никогда нельзя предсказать, что получится в результате, а во-вторых -- незначительны в масштабах всего генома. Точечной замены нуклеотида может быть вполне достаточно для полного перерождения, как это происходит при появлении опухолей, но в абсолютном большинстве случаев подобные изменения проходят незамеченными.
На этом «единстве» действует принцип клонирования – теоретически каждая взрослая клетка обладает таким же геномом, как и зигота, а потому если ее ядро поместить внутрь яйцеклетки, то оно даст полноценный организм.
Генетика против эпигенетики
Но как же тогда объяснить, что клетки с одним и тем же геномом синтезируют гормоны, генерируют импульсы или приводят в движение организм? Все дело в «надгеномных» -- эпигенетических изменениях. Клетка оставляет неизменной базовую информацию – последовательность нуклеотидов в ДНК, но активно перестраивает процесс ее воспроизведения на всех уровнях – от приоритетного считывания тех или иных генов до подавления синтеза определенных белков. Дополнительно накапливающиеся в ядре или цитоплазме эпигенетические факторы и предопределяют судьбу клетки.
Единственная популяция, способная к активным перестройкам генома – лимфоциты, которые при взрослении «выбирают» из общего пула генов несколько. Подобная «перетасовка» с миллионами возможных комбинаций и обеспечивает необходимое разнообразие антител, распознающих почти все существующие виды чужеродных антигенов.
Прокариоты к своему геному относятся гораздо проще – для них не представляет никакой проблемы «добавить/убрать/поменять участок ДНК». Среди эукариот такими способностями могут похвастаться только некоторые круглые черви и членистоногие, а также миксины.
Благодаря авторам публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences этот список теперь пополнили и близкие родственники миксин – миноги.
Содержание ДНК в их половых клетках и на стадии эмбрионального развития почти на 20% отличается от такового в клетках взрослого организма. Точная длина генома миног неизвестна, но, по существующим оценкам, это несколько миллионов пар нуклеотидных оснований (20% нашего генома -- это 700 миллионов нуклеотидных пар). Размеры генома всех остальных клеток совпадали даже у разных организмов.
Среди тех последовательностей ДНК, которые миноги «выбрасывают» по мере взросления, ученым известны лишь несколько. Генетики показали, что дополнительные копии Germ1 встраиваются сразу в несколько хромосом в ходе мейоза – одного из этапов образования гамет. По мере специализации копии постепенно исчезают, а ген остается только на одной паре хромосом. Группа генов SPOPL, известная и у людей, вообще не встречается в клетках взрослой миноги. Но это лишь десятки и сотни тысяч нуклеотидов, но никак не миллионы – сейчас авторы как раз занимаются детализацией остальных отличий: и сверхстабильных механизмов, и предопределяющих постепенную специализацию клеток.