Лягушка носит гены человеческих болезней

Первый геном амфибии расшифрован силами большой международной команды, в которую входят ведущие геномные центры США, Великобритании, Японии, Франции и Канады; координаторы работы – Объединенный институт генома (Joint Genome Institute) в Уолнат Крик и Центр объединенного генома (Center for Integrative Genomics) Калифорнийского университета в Беркли. Ученые секвенировали ядерную ДНК западной шпорцевой лягушки Xenopus tropicalis.

Родовое название шпорцевых лягушек Xenopus на латыни означает «странная нога» -- пальцы ее задних ног снабжены коготками, которыми лягушка защищается от хищников и удерживается на стеблях растений. Африканская шпорцевая лягушка Xenopus laevis – излюбленный модельный объект эмбриологов. У нее крупная прозрачная икра, внешнее оплодотворение, а ее эмбрионами легко манипулировать. Но африканская лягушка – тетраплоид, в ее клетках содержится не двойной, а четверной набор генов, и ее геном очень велик – около 3,1 миллиарда пар оснований. По этой причине ученые выбрали для секвенирования геном другого вида -- Xenopus tropicalis. В его геноме всего 1,7 миллиарда пар оснований.

Уффе Хелстен (Uffe Hellsten) и его коллеги не только расшифровали ДНК-последовательность лягушачьего генома, но и провели его структурный и сравнительный анализ – сравнили с геномом человека и курицы.

У лягушки столько же генов, сколько у человека

Большое количество генов лягушка получила от общего предка всех позвоночных, жившего примерно 360 миллионов лет назад. Именно тогда амфибии отделились от высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих).

У шпорцевой лягушки ученые насчитали 20-21 тысячу генов, кодирующих белки. Это приблизительно столько же, сколько у человека. Интересно, что большая часть этих генов гомологична генам человека, то есть имеет общее с ними происхождение. Например, у 79% всех генов, связанных с человеческими заболеваниями, нашлись родственники в геноме лягушки. Поэтому, полагают ученые, лягушка может послужить моделью для изучения механизмов и способов лечения многих болезней человека.

Целые блоки лягушачьего генома, находящиеся на одной хромосоме, по расположению генов оказались сходны с блоками геномов человека и курицы. Молекулярные генетики называют это синтеничностью. В то же время ученые нашли специфичные для амфибий слияния и разрывы хромосом, которые, очевидно, возникли уже после расхождения линий амфибий и высших позвоночных.

Более трети генома лягушки состоит из мобильных элементов. Это выше, чем у курицы (9%), и близко к 40-50% у человека. По большей части это ДНК-транспозоны, а не ретротранспозоны, как у человека (отличие одних от других заключается в том, что ДНК-транспозоны распространяются по геному напрямую, без помощи РНК). Некоторые мобильные элементы не встречаются у млекопитающих, рептилий и птиц, что указывает на их возникновение у амфибий после расхождения ветвей эволюции.

В чем лягушка нас обскакала

Геном лягушки содержит 1850 генных семейств, возникших путем умножения генов (от двух до 160 копий). Больше всего умножаются гены обонятельных, вкусовых рецепторов и вомероназального органа, воспринимающего феромоны.

Отличие есть и в генах, определяющих ранние стадии развития эмбриона – бластулу и гаструлу. У млекопитающих один ген nodal, в то время как у лягушки это семейство состоит из шести генов. Анализ показал, что человек и курица потеряли гены семейства nodal, причем разные, а у лягушки присутствует полный комплект. Другие эмбриональные гены присутствуют в геноме лягушки, рыб и курицы, но отсутствуют у человека.

У амфибий есть также очень важные для них гены, которые утеряны у высших позвоночных. Это гены, кодирующие антимикробные белки кожи (церулин, ксенопсин и другие). Белки выделяются кожными железами и играют большую роль в защите амфибий от инфекций.

Как и у других позвоночных, в геноме лягушки есть «генные пустыни» -- участки некодирующих последовательностей, они занимают около17%.

Расшифровка генома шпорцевой лягушки очень полезна для общего понимания эволюции генома позвоночных, говорят ученые. Но результаты могут помочь и самим лягушкам выжить в современном мире. Известно, что амфибии за последние годы сильно пострадали. Они сильнее, чем прочие животные, страдают от загрязненной среды обитания, так что состояние популяций может служить индикатором загрязнения. Генные методы помогут сделать этот индикатор еще более точным, так как на молекулярном уровне покажут, как земноводные реагируют на экологические изменения.

Результаты анализа лягушачьего генома опубликованы в последнем выпуске журнала Science.