RNR užregistruotos genomo restruktūrizavimo programos • Aleksandras Markovas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Genetika

Genetinės pertvarkos programa parašyta RNR.

"Oxidrich infusoria" (nuotrauka iš www.gpmatthews.nildram.co.uk)

Amerikos biologai atrado genų pertvarkymus, atsiradusius atsiradus cileatų atsiradimui Oxytricha yra kontroliuojamos "programa", parašyta RNR molekulėse. Įvedant dirbtinai sintetines RNR molekules į ląstelę, galima tiksliai pakeisti "darbo" genomą, saugomą dideliame branduolyje, ir nustatyti infuzorijos struktūrą ir elgesį. Antras genomas, kuris neveikia, yra saugomas mažame branduolyje ir skirtas išskirtinai perduoti genus palikuonims. Atradimas parodė, kad didžioji ir labai svarbi paveldimos informacijos dalis cileatuose yra perduodama kartu su RNR molekulėmis, kurios yra didelių branduolių chromosomų kopijos.

Laikai, kai visi genomo pokyčiai buvo laikomi visiškai atsitiktiniais, buvo praeities dalykas. Šiandien gerai žinoma, kad gyvoje ląstelėje yra didelis įrankių arsenalas, leidžiantis valdyti genetinius pokyčius. Štai keli pavyzdžiai:

  1. Bakterijos gali tiksliai padidinti mutacijos dažnį nepalankiomis sąlygomis (žiūrėkite: Kai yra daug kenksmingų mutacijų, jie nėra tokie kenksmingi, Elements, 2005 m. Gruodžio 6 d.).
  2. Kai kurie mikrobai tiksliai pertvarko savo paviršiaus baltymų genus, kad išvengtų imuninės sistemos poveikio (žiūrėkite: Gonokokai kvaila imuninę sistemą,atlikdami kontroliuojamus genomo pakeitimus, Elements, 2006 m. gegužės 31 d.).
  3. Imuninės sistemos ląstelės tiksliai pakeičia savo genomą, kuria genus naujiems antikūnams ir T-ląstelių receptoriams, rekombinuojant DNR fragmentus ir "hypermuting" (žr.: Mutagenezė limfocituose yra tikslinio DNR pakitimo rezultatas ir tolesnis "netikslus remontas", "Elements", 03.09. 2007).
  4. Judantys genetiniai elementai, jei jie turi laisvą ginklą, gali apversti visą genomą, tačiau ląstelė gali laisvai reguliuoti savo veiklą (žiūrėkite: Žinduoliai nustatė mobiliųjų genetinių elementų kontrolės sistemą, Elements, 2007 11 05).
  5. DNR metilinimas yra vienas iš "epigenetinių" mechanizmų, reguliuojančių genų aktyvumą, ir prognozuojamu būdu įtakoja atskirų nukleotidų mutacijos tikimybę (žr. B. F. Vanyushin. "Epigenetikos esmė" arba "Mažosios pasekmės su didelėmis pasekmėmis", Pdf, 180 Kb).

Vienas iš stebė seniausių tikslinio genomo pertvarkymo pavyzdžių yra makronukulių (didelio branduolio) susidarymas ciliatoriuose. Elementai jau praeitais metais nagrinėjo šią temą (žiūrėkite: Žiurkių genomo genų skaičius pasirodė toks pat kaip ir žmonėms, "Elements", 2006 m. Rugsėjo 7 d., Šiame pastaboje taip pat pateikiama pagrindinė informacija apie genotipo ir cileatų gyvenimo ciklą )

Per pastaruosius metus mokslas labai pažengė supratimą apie vadovaujamas genomo pertvarkas ciliatoriuose. Naujas straipsnis Amerikos biologų publikuojamas žurnale Gamta, yra labai svarbus laimėjimas šioje srityje.

Ciliutai – sudėtingiausias viencelčių organizmas, o apskritai – tai viršuje, kuris gali sukelti evoliuciją vieno ląstelių lygiu. Ciliaučių struktūra daugeliu atžvilgiu primena daugelį elementų, nors yra tik viena ląstelė. Pavyzdžiui, daugiasluoksniuose gyvūnuose išskiriama generacinių ląstelių linija, kurios genomas yra apsaugotas nuo visų rūšių pokyčių (galų gale šis genomas bus paveldėtas palikuonyse) ir somatines ląsteles, kurių genomas gali pasikeisti, kai reikia (pavyzdžiui, kai kurie gali būti metilinti arba visiškai pašalinti genomo dalys, kurios nereikalingos tam tikruose audiniuose ar organuose, arba sudėtingos tikslinės pertvarkos, kaip ir limfocituose). Somatinių ląstelių genetiniai pokyčiai paprastai nėra paveldimi. Cilijonai taip pat turi du genomus – generatyvinius ir vegetatyvinius (somatinius). Pirmasis yra laikomas mažame branduolyje (mikrobranduolyje), jame yra transposonų krūva ir nekoduojami regionai, ir apskritai neveikia, jei nepasakoma – visiškai chaosas.Pvz., Daugelis genų yra suplyšę į gabalus ir sumaišomi tokiu sąnariu, kad niekas negali būti išardomas. Tačiau vis dėlto tai yra normalus, nors ir labai apleistas, didelis eukariotinis genomas. Beje, infuzorijų ir žmonių genų skaičius yra maždaug toks pat (apie 30 tūkstančių). Mikrobranduolių genomas, žinoma, neveikia (jis negalėjo) ir tarnauja tik pernešant genus palikuonims seksualinės reprodukcijos metu.

Vegetatyvinis (somatinis, darbininkas) ciuliacijų genomas yra saugomas dideliame branduolyje (makronukulyje) ir daugeliu atžvilgių labai skiriasi nuo kitų eukariotinių genomų. Tamsoje OxytrichaAptariamas straipsnis skirtas jai ir susideda iš daugybės tūkstančių individualių "nanochromų". Tai tikrosios chromosomos, labai mažos, paprastai turinčios tik vieną geną. Kiekviena nanochromosoma arba MAK chromosoma yra daugybėje kopijų makronukleozėje. Atitinkamai, visas vegetatyvinis genomas pakartotinai dubliuojasi, ty makronukulius yra polploidas (mikrobranduolis yra diploidinis branduolys).

Vegetatyvo oksitricho genomo dydis yra 20 kartų mažesnis nei generatyvinis (atitinkamai 50 milijonų ir 1 milijardas bazinių porų, palyginimui, tai yra 3 milijardai žmonių ir paprastai iki 10 milijonų bakterijų).Toks radikalus sumažinimas pasiekiamas tiesiog išmesdamas visą "perteklių" iš generuojančio genomo.

Infuzorijos dauginamos dalijant, kartu dalijant abu branduolius. Kartkartėmis konjuguoti ciliatai – jie yra sujungti poromis, kad būtų galima pasikeisti paveldima medžiaga (konjugacija yra ypatinga lytinio proceso rūšis). Konjugacijos metu mikrobranduoliai patiria miozę, ty tokį susiskaldymą, kurio metu chromosomų skaičius perpus sumažėja. Konjuguota infuzorija pasikeičia "jų" mikrobranduolių pusėmis. Šitos pusės sujungiamos, o kiekvienoje raišteliu pasireiškia viena visa mikrobranduolė, kurioje pusė chromosomų yra savo, o pusė gaunama iš partnerio. Tada ciliatai yra atskirti ir toliau gyvena, kaip jie gyveno, su mažu skirtumu, kad genetikos požiūriu, kiekvienas iš jų dabar tapo savo dukterimi.

Konjugacijos metu arba iškart po jo makronukulius, kartu su jo genomu, sunaikinamas ir vėliau atstatomas iš naujo. Pagrindas yra generuojantis mikrobranduolių genomas, tačiau jis yra radikaliai restruktūrizuojamas. 95% generuojamo genomo yra paprasčiausiai pašalintas.Iš esmės visi transposonai ir nekoduojamos seka eina "išmesti". Yra gryni genai beveik be priemaišų. Tačiau genomo reorganizavimas neapriboja šiukšlių pašalinimo. Taip pat yra "išsiblaškymas" – darbinių genų rinkinys iš suskaidytų ir susipynusių fragmentų. Kaip mes prisimename, daug genų generuojamame genome suskaidomi į mažus gabalėlius ir sumaišomi. Tarp šių dalių gali būti ilgai nekoduojami įdėklai. Tai nėra įprasti intronai, kurie pašalinami susimaišius (taip pat yra infuzoria introns, tačiau jie yra išsaugotų fragmentų dalis). Tai specialūs "papildomi" genomo gabalai, būdingi tik cileatai, ir jie ištrinami, kai susidaro vegetatyvinis makronukelės genomas.

Pavyzdžiui, generuojamame genome genas gali turėti tokią struktūrą: 2X7X5X4X8X1X3X6 (skaičiai žymi "darbo" geno fragmentus, raidė X reiškia "nereikalingus" įvairias ilgio įvestis). Vegetatyviniame genome šis genas atrodys taip: 12345678.

Kaip ląstelė žino, kokia tvarka reikia susieti fragmentus? Iki šiol atsakymas į šį klausimą nebuvo.

Prinstono universiteto mokslininkai įsteigėkad "ciuliarų" genetinės informacijos "atskyrimas" naudoja pavyzdžius (matricas), kurios yra RNR molekulės, skaityti iš makronukelių nanochromosomų (MAC chromosomų) prieš sunaikinant makronukulius.

RNR šablonas, perskaitytas iš MAK chromosomos, prieš sunaikinant makronukulę, tarnauja kaip "raktas", kai išskiria genetinę informaciją, esančią MIC chromosomoje. Juoda pažymėtos pabaigos skyriai chromosomos – telomerai. Pav. iš aptariamo straipsnioGamta

Norėdami sužinoti, turėjau atlikti daug sudėtingų eksperimentų.

Siekiant ištirti hipotezę apie RNR matricų vaidmenį MAK chromosomų surinkime, tyrėjai naudojo RNR trukdžių metodą. Ciljatai buvo maitinami genetiškai modifikuotomis bakterijomis, kurios gamina dvikryptę RNR molekules, kurios atitinka nukleotidų seką su vieno MAK chromosomų fragmentu. Eukariotės ląstelės gydo dvikryptę RNR atsargiai, ima juos už virusus ir pradeda sunaikinti visas RNR su tokia nukleotidų seka, įskaitant reguliarias, viengubas. Tai yra "išjungimo" genų metodo pagrindas.Idėja buvo tai, kad, valgydami bakterijas, pats raištis sunaikins vieną iš RAK matricų, reikalingų MAK chromosomų surinkimui. Taip atsitiko. Dėl to po konjugacijos buvo gauti ciliatai, kuriuose atitinkama vieno MAK chromosomų sekcija buvo surinkta netinkamai arba visai nebuvo surinkta – tik kairėje, kaip ir MIC chromosomos. Šiuo atveju visos kitos MAC chromosomos buvo surinktos teisingai.

Todėl RNR šablonai yra iš tikrųjų susiję su programuojamu genomo restruktūrizavimu. Bet kas jie yra – ar jie yra nanochromų kopijos ar jų atskiri skyriai?

Tyrėjai pradėjo izoliuoti ir analizuoti RNR iš ciliatų skirtinguose gyvenimo ciklo etapuose. Paaiškėjo, kad kelias valandas po konjugacijos (tik tuomet, kai senas makrokomandos žlugdo ir pradeda formuotis naujas) ląstelėse atsiranda ilgų transkriptų (RNR molekulių), atitinkančių visas MAK chromosomas kartu su galiniais regionais – telomerais. 30-50 valandų po konjugacijos šie stenogramos išnyksta.

Taigi, prieš sunaikinant makronukulius kartu su vegetatyviniu genomu, ląstelė pašalina "atsarginę kopiją" iš kiekvienos MAC-chromosomos.Ši kopija, kuri yra RNR molekulė, vėliau naudojama kaip pavyzdys, skirtas surinkti naujas mažas ir tvarkingas MAK chromosomas iš negados, užregistruotos MIC chromosomos.

Kitas klausimas buvo, kaip tiksliai RNR šablonai reguliuoja MAK chromosomų surinkimo procesą ir ar įmanoma kontroliuoti šį procesą įterpdami į ląstelę dirbtinius RNR šablonus? Tyrėjai susintetino keletą RNR molekulių, panašių į "tikrąsias" RNR šablonus, tačiau pakeistą fragmentų eilę. Pavyzdžiui, jei MIC genui su 2X7X5X4X8X1X3X6 struktūra, teisingas RNR šablonas turi formą 12345678, tada sintetinėje matricoje kai kurios poros fragmentų yra keičiamos (pvz., 13245678).

Tokių matricų įpurškimas į ciliatus po konjugacijos sukėlė dviejų tipų MAK chromosomų formavimąsi: kai kurie iš jų atkūrė teisingą fragmentų tvarką (galų gale teisingos matricos nebuvo pašalintos iš ląstelių), kiti yra tie, kurie buvo dirbtinėse matricose. Prisiminkite, kad kiekviena MAC chromosoma makrokomandoje yra daugybe kopijų. Taigi, RNR šablonai atlieka labai tikslią MAK chromosomų surinkimo proceso kontrolę, o dirbtinių šablonų pagalba šis procesas gali būti nukreiptas norima kryptimi.

Kitas svarbus klausimas yra toks: ar RNR šablonai surenka tik tuos genus, kurie yra susimaišę generuojamame genome (ty jie turi neteisingą fragmentų tvarką), ar šis mechanizmas universalus ir taikomas visiems be jokių išimčių genams?

Tyrėjai sukūrė ir įvedė į ciliato RNR matricą klaidingai tvarkant fragmentus tiems genams, kurie nėra sumaišomi generuojamame genome, todėl nereikia "išskaidyti" (jiems reikia išskirti tik "papildomus" gabalus). Kaip rezultatas, atitinkami genai MAK chromosomos buvo neteisingai surinkti. Taigi mechanizmas yra universali.

Iš to, beje, pasirodo įdomi evoliucinė išvada. Kadangi infuzoria jau sukūrė universalią "išskaidymo" susmulkintų ir įstrigtų genų sistemą, MIC genų suskaidymas ir jų dalių pertvarkymas nebebus pašalinami atrankos būdu. Galų gale yra nesusipratimų mechanizmas, jam nerūpi, jis viską išspręs. Akivaizdu, kad štai kodėl MIC genų ciliatai palaipsniui atėjo į chaoso būklę.

Žvelgiant į paveikslėlį, galima suprasti, kad iš pradžių sistema galėjo būti sukurta tik norint pašalinti nereikalingus genomo gabalus, ir tokiu atveju ji "automatiškai" atsiranda automatiškai savaime, kaip tam tikro tipo priedas – iš pradžių nereikalingas, bet tada tapo būtina.

Taigi, informacija apie seką, kuria reikia pagaminti genomo genų fragmentus, yra perduodama infuzorijų palikuonims "ne klasikiniu" būdu – RNR molekulių forma. Bet tai nėra tokia maža paveldimos informacijos dalis!

Ar RNR šablonai taip pat gali paversti atskirų nukleotidų sekos informaciją palikuonims? Iki šiol mes kalbėjome tik apie genų fragmentų seką, tai yra dešimčių ar šimtų nukleotidų ilgio gabalus. Kiekvienas genas, kaip žinoma, gali egzistuoti kaip keletas variantų (alelių), kurie skiriasi atskirų nukleotidų pakaitalais ar įterptais. Todėl RNS šablono ir MAK chromosomų, surinktų remiantis jo pagrindu, atitiktis ne visada yra absoliuti. Individualūs nukleotidai gali skirtis, o tai netrukdo tinkamai surinkti.

Iš principo yra įmanoma, kad kai kurie nukleotidų pakaitalai gali būti perkelti iš RNR šablono į surinktą MAK chromosomą. Žinoma, nėra tikslinga, kad ciliatai perkeltų visus tokius skirtumus į MAC chromosomą. Galų gale tada, po konjugacijos, MAC chromosomos liktų visiškai identiškos motinos chromosomoms, o konjugacija prarastų bet kokią prasmę. Tačiau, kaip paaiškėjo, kai kurie nukleotidų pakaitalai vis dar perkeliami į MAK chromosomas iš RNR šablonų.Tačiau tai neatsiranda visą derliaus nuėmimo genų ilgį, tačiau tik šalia fragmentų "susiuvimo". Tai yra labai svarbus faktas, vienareikšmiškai nurodantis, kad DNR kietinimo mechanizmas, pagrįstas RNR matricomis (žr.: RNR tarnauja kaip DNR žalos pataisos matrica, elementai) , 21.05.2007).

Ar panašios genomo redagavimo sistemos, pagrįstos RNR šablonų naudojimu, gali veikti ir kituose organizmuose, ir ne tik ciliatoriuose? Kodėl ne? Reikia ieškoti. Pastaraisiais metais atradimų serija aiškiai rodo, kad gyvoje ląstelėje vis dar yra daug nežinomų molekulinių mechanizmų, įskaitant tuos, kurie naudojami tiksliai pakeisti savo genomą.

Šaltinis: Mariusz Nowacki, Vikram Vijayan, Yi Zhou, Klaas Schotanus, Thomas G. Doak, Laura F. Landweber. Genetinės pertvarkos kelio epigenetinės programinės įrangos RNR tarpas // Gamta. Ankstesnis internetinis leidinys 2007 m. Lapkričio 28 d.

Dėl genetikos informacijos perdavimo naudojant RNR taip pat žiūrėkite:
1) Ne-Mendelio paveldimumo mechanizmas tebėra paslaptingas, "Elements", 2007-10/17.
2) paveldima informacija registruojama ne tik DNR, "elementai", 2006 06 01.
3) Ar embrionams reikia genų ?, "Elements", 08.05.2008.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: