Микроскопическое животное исправляет поврежденную ДНК на протяжении поколений

Фото из открытых источников

В мхах и лишайниках мира – в промежуточных местах, где условия жизни быстро меняются, – обитает крошечное животное, обладающее необычайными навыками выживания. Нет, это не тихоходки – это их гораздо более странный сосед по дому, бделлоидные коловратки.

Подобно тихоходкам, бделлоидные коловратки могут почти полностью высохнуть и оживиться, когда в них вернется вода. Они могут подвергаться облучению радиацией, в сотни раз превышающей смертельную дозу для человека, и при этом выживать, даже несмотря на разрушение хромосом.

Теперь же ученые обнаружили, что один вид коловраток семейства Bdelloidae способен на нечто, ранее не задокументированное ни у одного другого живого организма, даже у тихоходок: вид Adineta vaga может размножаться, не восстанавливая свои хромосомы после радиационного повреждения, и его потомство будет продолжать исправлять повреждения на протяжении поколений. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

«Что действительно исключительно в этом открытии, так это то, что они каким-то образом стабилизируют концы хромосомы; они стабилизируют эти фрагменты ДНК, а затем могут передавать их следующему поколению и продолжать процесс восстановления», — говорит эволюционный биолог Карин ван Донинк из Свободного университета Брюсселя в Бельгии. «Никогда не было доказано, что подобный ремонт может продолжаться из поколения в поколение».

Открытие началось с более раннего эксперимента — и сигнала, настолько неожиданного, что исследователи подумали, что что-то пошло не так.

Команда подвергла A. vaga мощному облучению, собрала яйцо, отложенное одним из животных, и использовала это яйцо для создания клональной популяции.

Поскольку все эти клоны произошли из одной и той же яйцеклетки, исследователи ожидали увидеть одинаковое радиационное повреждение, отражающееся во всех их геномах.

Вместо этого они обнаружили нечто странное. Крупные делеции в хромосомах различались у разных особей, а данные секвенирования, по-видимому, указывали на постепенное восстановление недостающей ДНК.

«Это указывало на необходимость поэтапного ремонта, а мы считали это невозможным», — поясняет Ван Донинк.

Сначала исследователи предположили, что проблема может заключаться в секвенировании. Но когда они повторили анализ, странная закономерность упорно сохранялась.

Неровные края удаленных участков дали важную подсказку: они не были одинаковыми у разных людей, что позволяет предположить, что после разрыва хромосом открытая ДНК продолжала деградировать – но в разной степени у разных людей – до начала процесса восстановления.

В течение последующих месяцев исследователи продолжали отслеживать поврежденные геномы в последующих поколениях, используя секвенирование ДНК и подсчет хромосом, чтобы понять, что они наблюдают.

Постепенно команда поняла, что происходит. Коловратки не восстанавливали большую часть повреждений хромосом перед размножением. Разорванные фрагменты хромосом сохранялись до следующего поколения, где процесс восстановления мог продолжаться.

«Действительно, это было совершенно неожиданно, и нам потребовалось некоторое время, чтобы понять, что происходит, и нам действительно пришлось ущипнуть себя, чтобы поверить в это», — сказал молекулярный биолог Бернар Халлет из Католического университета Лувена в Бельгии.

Это были отнюдь не незначительные повреждения.

Исследователи подвергли A. vaga воздействию протонного излучения в дозах 100, 250 и 500 грей, что, по оценкам, должно вызвать около 88, 220 и 440 двуцепочечных разрывов ДНК по всему геному соответственно.

При самой высокой дозе отдельная хромосома может быть разрушена на 30-50 фрагментов.

Обычно это представляет собой довольно серьезную проблему. Во время деления клеток, включая мейоз, в результате которого образуются репродуктивные клетки, хромосомы используют область, называемую центромерой, для переноса необходимого генетического материала в новую клетку. Без центромеры дочерняя клетка не может получить этот фрагмент.

Однако, похоже, A. vaga нашел лазейку.

«Наши результаты показывают, что, напротив, хромосомы коловраток Bdelloid имеют «голоцентрическую» структуру, при которой ключевые структурные компоненты центромеры распределены по отдельным участкам хромосомы, что обеспечивает правильное разделение фрагментов хромосомы, содержащих эти компоненты», — пояснил Халлет.

Это означает, что когда хромосома разрушается, её фрагменты могут всё ещё сохранять то, что им необходимо для перемещения в дочернюю клетку, — это позволяет разорванным частям сохраняться на протяжении клеточных делений и, в конечном итоге, поколений.

Но это лишь половина его удивительного секрета. Другая половина — это сам ремонт.

A. vaga имеет диплоидный геном, то есть его хромосомы расположены парами. Две хромосомы в каждой паре гомологичны – они несут одни и те же гены в одних и тех же местах, хотя точные варианты этих генов могут различаться.

Это даёт повреждённой хромосоме нечто чрезвычайно полезное: относительно неповреждённого «близнеца», которого она может использовать в качестве шаблона для восстановления.

Хотя коловратка размножается бесполым путем, она сохранила необычную форму мейоза, при которой гомологичные хромосомы образуют пары. Таким образом, поврежденный конец ДНК может найти соответствующий участок на своем неповрежденном гомологе и использовать эту последовательность для восстановления утраченного.

Исследователи называют этот механизм репарацией путем гомологичного расширения, индуцированного разрывом, или BIHER.

Если повреждение достаточно серьёзное, для его восстановления требуется несколько циклов – то есть, последовательные поколения коловраток, каждая из которых постепенно устраняет проблему. Но вот что действительно поразительно: результаты исследований показывают, что в конечном итоге повреждённая хромосома может быть полностью восстановлена.

«Наши результаты действительно показывают, что итеративный метод BIHER потенциально может восстановить исходную структуру поврежденной хромосомы, при этом некоторые делеции полностью устраняются после определенного количества поколений», — сказал Халлет. «Иными словами, при наличии достаточного времени недостающую последовательность можно постепенно восстановить».

В этот момент вы, естественно, можете задаться вопросом, чем же, собственно, занимается A. vaga в свободное время, что ей необходима такая мощная защита от ионизирующего излучения.

Ответ на этот вопрос связан с его мшистой средой обитания.

Мхи и лишайники могут долгое время высыхать, прежде чем снова стать влажными, и их крошечным обитателям пришлось выработать способы выживания в таких экстремальных условиях. Бделлоидные коловратки (и тихоходки, собственно говоря) делают это, переходя в состояние почти полного высыхания – высыхая, словно занимаясь экстремальным спортом.

Однако высыхание чрезвычайно вредно для ДНК. Оно может вызывать те же виды физических повреждений, что и ионизирующее излучение, включая двуцепочечные разрывы, способные разрушить хромосомы.

Таким образом, A. vaga, вероятно, вовсе не развила свои необычайные способности к восстановлению в ответ на радиацию. Ее устойчивость к радиации, по-видимому, является случайным побочным эффектом адаптации к выживанию в условиях многократного обезвоживания.

«Физические повреждения от высыхания случайно совпадают с повреждениями от радиации, поэтому они стали устойчивыми к радиации», — объясняет Ван Донинк. «В этом и заключается прелесть природы».

И эта способность выживать, когда его геном находится в полном хаосе, может сделать A. vaga полезным для понимания других ситуаций, в которых хромосомы подвергаются катастрофическим повреждениям.

Например, на Марсе исследователи-люди, вероятно, подвергнутся дозам радиации, считающимся опасными для человека. А раковые клетки могут испытывать явление, называемое хромотрипсисом, при котором хромосомы разрушаются и затем сшиваются заново в значительно измененной форме.

«Иногда я говорю, что коловратки похожи на живую раковую опухоль, поэтому это очень интересная модельная система для всех этих исследований», — говорит Ван Донинк.

Остаются еще вопросы, на которые нужно ответить. Теперь исследователи хотят лучше понять молекулярный механизм, позволяющий A. vaga осуществлять свои необычайные восстановительные работы, и выяснить, могут ли подобные стратегии скрываться и в других местах природы.

Ван Донинк также отмечает, что команда сейчас исследует, что происходит, когда обе гомологичные хромосомы повреждаются в одном и том же месте, в результате чего коловратка лишается неповрежденного шаблона, на который обычно опирается BIHER, — и нам тоже не терпится это узнать.

Это крошечное микроскопическое существо, которое, вероятно, живёт у вас на заднем дворе, — и всё же оно обладает удивительной способностью к самовосстановлению, которая может научить нас чему-то о выживании в самых экстремальных условиях. Это невероятно.

«Концепция трансгенерационной передачи и восстановления поврежденных хромосом была совершенно неожиданной», — сказал Халлет. «Я считаю это одним из самых приятных открытий в моей карьере».