Миноги выбрасывают пятую часть своего генома

Исследователи обнаружили, что минога, произошедшая от бесчелюстных рыб, впервые появившихся 500 миллионов лет назад, кардинально перестраивает свой геном. Вскоре после того, как оплодотворенная икра миноги делится на несколько клеток, растущий эмбрион выбрасывает миллионы единиц своей ДНК.

Результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ведущий автор — Джеремайя Смит, постдок в области геномных наук Вашингтонского университета (UW), работающий в лаборатории Института исследований Бенароя Криса Амемии, который также является профессором биологии в UW.

Это, как полагают, первое зарегистрированное наблюдение, когда позвоночное — животное с позвоночным столбом — масштабно реорганизует свой геном как нормальную часть развития. Некоторые виды беспозвоночных, например, круглые черви, также подвергаются масштабной перестройке генома. Однако считалось, что стабильность жизненно важна для геномов позвоночных, чтобы обеспечить их высокоточное нормальное функционирование. Предполагалось, что в геноме позвоночных происходят лишь незначительные модификации для обеспечения иммунного ответа, а не масштабные перестройки.

Смит, Амемия и их команда случайно обнаружили динамические преобразования в геноме миноги, изучая генетические основы её иммунной системы. Исследователи пытались выяснить, как минога использует механизм «копировать-вставить» для создания разнообразных рецепторов для обнаружения различных патогенов.

Учёные с удивлением заметили разницу между структурой генома в зародышевой линии — клетках, которые становятся яйцеклетками и сперматозоидами, — и структурой генома в получившихся эмбриональных клетках. ДНК в ранних эмбриональных клетках имела множество разрывов, похожих на те, что бывают в умирающих клетках... но клетки не умирали. В эмбриональных клетках было значительно меньше повторяющихся последовательностей ДНК, чем в сперматозоидах и их клетках-предшественниках.

«Перестройка начинается в тот момент, когда эмбрион включает свои собственные гены и больше не полагается на запас mRNA, полученный от матери», — сказал Смит.

Реструктуризация происходит не сразу, а продолжается в течение длительного времени в ходе эмбрионального развития. Учёным потребовалось много работы, чтобы понять, что именно и когда теряется. Они выяснили, среди прочего, что в перестроенном геноме было меньше повторов и специфических кодирующих гены последовательностей. Удаления вдоль цепочек ДНК, как полагают, также приближают определённые регуляторные элементы генома к ранее удалённым сегментам.

Учёные не знают, как и почему это происходит. Смит сказал, что его любимая, но недоказанная гипотеза заключается в том, что дополнительный генетический материал может играть роль в пролиферации клеток-предшественников сперматозоидов и яйцеклеток, а также в раннем эмбриональном развитии. Затем генетический материал может быть отброшен, когда он больше не нужен, или для предотвращения аномального роста.

По словам Смита, изменение генома миноги и беспозвоночных, которые перестраивают свой геном, по-видимому, строго регулируется, однако возникающие структурные изменения кажутся почти такими же, как ошибки ДНК, ведущие к раку или другим геномным нарушениям у высших животных. Изучение того, как регулируются перестройки ДНК миноги в ходе развития, может дать информацию о том, что стабилизирует или изменяет геном, а также о роли реструктуризации в формировании различных типов клеток тела, таких как клетки плавников, мышц или печени.

Если 20% их генома исчезает, как миноги передают полный набор своих генов потомству?

«Зародышевая линия — эти клетки-предшественники сперматозоидов и яйцеклеток — представляет собой непрерывную линию во времени, — объяснил Смит. — Клетки-предшественники сперматозоидов и яйцеклеток обособляются на ранних стадиях развития миноги. Геном в этой популяции клеток никогда не должен меняться». Предполагается, что генетический материал теряется только в ранних эмбриональных клетках, которым суждено стать частями тела, а не в клетках, дающих начало следующему поколению. Исследователи искали примордиальные стволовые клетки для сперматозоидов и яйцеклеток, скрытые в миноге, но их трудно найти.

Исследователи пока не знают, как геном миноги управляет метаморфозом, который она претерпевает в течение жизни. У миног длинная ювенильная жизнь в виде личинок в пресной воде, где они питаются самостоятельно. Их короткая взрослая жизнь обычно проходит в море в качестве кровососущих паразитов. Их круглый, лишённый челюстей рот присасывается к другим рыбам, как присоска. Несколько круговых рядов зубов соскабливают кожу их неудачливых жертв. Их аппетит ненасытен.

Позже, возвращаясь в ручьи и реки вдоль северного атлантического побережья, миноги атрофируются, пока не становятся чем-то вроде средства для размножения. После спаривания они погибают. Популяции морской миноги оказались изолированными в Великих озёрах и других близлежащих крупных озёрах после строительства каналов и плотин в начале 1900-х годов. Они процветают, паразитируя (и убивая) коммерчески важные виды рыб, и считаются вредителями в регионе Великих озёр.

Биологи интересуются миногой отчасти из-за её сменяющихся образов жизни, но в основном потому, что она представляет собой живое ископаемое со времён возникновения позвоночных. Близкие родственники миног были на Земле до динозавров. Авторы исследования отметили, что возможно, динамическая геномная биология миноги может быть прослежена в эволюционной истории до точки, близкой к общему предку всех ныне живущих позвоночных, а возможно, и включающей его.

«У миног полмиллиарда лет эволюционной истории, — сказал Смит. — Эволюционные биологи и генетики могут сравнить их геномы с геномами других позвоночных и человека, чтобы увидеть, какие части генома миноги могли присутствовать у наших примитивных предков. Мы могли бы начать понимать, как изменения в геноме миноги привели к их отличной структуре тела и как рыбы эволюционировали от бесчелюстных к челюстным».

Амемия добавил: «Мы действительно не знаем, куда приведёт нас это открытие о перестройке генома миноги. В науке часто бывает, что значение открытия не осознаётся в течение нескольких десятилетий. Речь идёт не столько о соединении точек для конкретного применения, сколько о получении широкого понимания того, как устроены живые существа».