Гибкость на протяжении жизни за счёт изменения числа копий хромосом

Пекарские дрожжи — популярный модельный организм в биологии. Дрожжи способны обратимо дублировать отдельные хромосомы и тем самым гибко адаптироваться к условиям окружающей среды. Учёные из Люксембургского центра системной биомедицины (LCSB) Люксембургского университета совместно с коллегами из американского Института системной биологии (ISB) в Сиэтле систематически изучили генетику этого процесса, который биологи называют анеуплоидией. Новые результаты позволят по-новому оценить анеуплоидию с медицинской точки зрения, поскольку у многоклеточных организмов она связана с определёнными заболеваниями. Результаты опубликованы в научном журнале PNAS.

Хромосомы — это молекулярные комплексы, состоящие из генетического материала ДНК и белков. Они дублируются перед делением клетки, а затем распределяются между дочерними клетками. У дрожжей цикл деления клетки занимает всего 1,5 часа, что означает очень быструю смену поколений. Это позволяет им очень быстро адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые обычно существуют в виде одиночных клеток, способны образовывать колонии с многоклеточными структурами и разделением функций, то есть клетки дифференцируются для выполнения разных задач. «Генетическая основа этого изменения внешнего вида дрожжей до сих пор оставалась неизвестной», — говорит доктор Александр Скупин, один из основных участников совместного проекта.

Детальные генетические анализы показали, что дрожжевые клетки индивидуально умножают до шести из своих 16 хромосом во время деления и могут снова обращать это умножение вспять. «Организация клеточных колоний и фенотипическое переключение между разными типами колоний становится гораздо более гибким и быстрым при обратимой анеуплоидии, чем если бы оно зависело от случайных мутаций в генах», — говорит Скупин. «Дублирование одной хромосомы достаточно, чтобы изменить дрожжи из относительно гладкой колонии в колонию с так называемой "пушистой" морфологией».

Если клетки снова уменьшают число копий этой конкретной хромосомы — например, при очередном изменении условий окружающей среды — они снова превращаются в гладкую колонию. «Таким образом, гибкость дрожжевых клеток возникает не из-за активности или неактивности одного гена», — объясняет руководитель проекта в ISB доктор Эйми Дадли. Вместо этого за это отвечает доза гена, которая зависит от количества копий хромосомы: «Если хромосома умножена, то будет транскрибировано больше копий одного и того же гена. Это означает, что он оказывает более сильный эффект, чем если бы он был активен только один раз на одной хромосоме в клетке», — заключает Дадли. Эти клетки могут меняться очень быстро.

Исследователи намерены выяснить, какие молекулярные механизмы возникают в результате активности гена, транскрибируемого с умноженных хромосом. «Только тогда мы сможем детально понять, как возникают различные клеточные колонии», — утверждает Скупин.

Профессор доктор Руди Баллинг, директор LCSB, объясняет медицинские последствия новых открытий: «Мы давно знаем об анеуплоидии у многоклеточных организмов. Один из известных примеров — синдром Дауна, при котором 21-я хромосома или её часть существует в трёх копиях. Однако недавно это явление также наблюдалось в раковых клетках и даже было связано с развитием мозга. Учитывая быструю смену поколений у дрожжей, мы можем использовать их в качестве модельного организма — и изучать механизмы анеуплоидии гораздо более детально, чтобы выяснить, можем ли мы вывести из этого новые подходы к диагностике и лечению заболеваний человека».