Текст уведомления здесь

Чем наши клетки обязаны древним вирусам

Возможно, от них мы переняли ключевые механизмы деления клеток

Ключевые механизмы размножения клеток мы могли «подцепить» от древних вирусов, считают ученые, исследовавшие геном микроба, способного выживать в экстремальных условиях Мертвого моря.
Добавить в закладки
Комментарии

Когда у нас затягиваются царапина на коже, растут волосы и ногти и происходят всякие другие процессы обновления тканей, клетки нашего тела делятся. Перед началом этого процесса в них происходит копирование хромосом, чтобы при делении каждая из дочерних клеток получила свою порцию генетической информации. Для этого спирали ДНК, из которых состоят хромосомы, расплетаются и к каждой из получившихся нитей достраивается новая. Этот процесс начинается не где попало, а с особой последовательности генов, называемой точкой начала репликации. Такие точки есть у всех живых организмов, они позволяют регулировать клеточный цикл и следить за тем, чтобы копирование хромосом происходило одновременно.

Торстен Аллерс (Thorsten Allers) из университета Ноттингема (Великобритания) и его коллеги поставили опыт: они удалили точки начала репликации на хромосомах у одного из видов архей, галофераксов — Haloferax volcanii — и посмотрели, что из этого выйдет.

Haloferax volcanii на агаровой пластинке © The University of Nottingham

Живые существа делятся на три домена: эукариоты (мы относимся именно к ним), бактерии и археи. Археи знамениты своей способностью выживать в экстремальных условиях, таких как горячие источники или соленые озера. Галофераксы, например, обитают в Мертвом море.

Бардак в геноме

Геном у представителей трех доменов организован по-разному. Наиболее сложным образом — у эукариот. Например, человеческий геном разбит на 23 хромосомы, каждая из которых представлена в клетке в двух вариантах: по одной от папы и от мамы. Чтобы при делении дочерние клетки получили всю необходимую генетическую информацию, копирование всех 23 пар хромосом должно начинаться одновременно. Для этого и нужны точки начала репликации: если копирование ДНК начинается в строго определенных местах, клетке проще контролировать и время старта. На хромосомах человека точек начала репликации тысячи, если одна почему-либо не сработает, процесс может быть начат в другой точке.

У бактерий этот процесс выглядит проще: у них весь геном умещается в одной хромосоме, а ее копий в клетке может быть от одной до четырех. На каждой хромосоме есть одна точка начала репликации, и копирование ДНК всегда идет в одном направлении. Это позволяет бактериям размножаться очень быстро, например, постоянный объект всевозможных биологических экспериментов, кишечная палочка, делится раз в 25 минут.

У архей в геноме наблюдается «творческий беспорядок»: хромосома у них одна, а число ее копий может достигать 20, и при этом на хромосоме по несколько точек начала репликации. Из-за столь объемного генома они растут значительно медленнее бактерий: время деления у них составляет 2,5 часа.

«Мне кажется, что галоферакс по многим параметрам ближе к самым первым клеткам. Бактерии достаточно сложно устроены, эукариоты устроены еще сложнее, а вот археи еще достаточно просты», — рассказал Аллерс корреспонденту "Чердака".

Смертельный номер

Аллерс и его коллеги удалили у галофераксов все точки начала репликации. Бактерии после такой операции гибнут, однако галофераксы не только выжили, но и стали размножаться еще быстрее. Оказалось, что в отсутствие точек начала репликации галоферакс использует для запуска процесса копирования генома другой механизм - обмен аналогичными участками ДНК между хромосомами, рекомбинацию. Этот обмен обычно служит для «починки» ДНК при повреждениях. Рекомбинация может происходить в любой точке хромосомы, благодаря чему геном копируется быстрее, и галоферакс быстрее размножается. Отсутствие же возможности точно управлять местом и временем начала репликации ДНК не мешает ему жить, потому что копий генома у него и так много.

«Когда организм типа галоферакса проходит процесс клеточного деления, вполне возможно, что хромосомы распределяются по дочерним клеткам случайным образом. Ему не нужна четкая программа деления, потому что у него 20 копий хромосом. Представим, что у меня 20 копий статьи. Я могу разделить их между нами случайным образом: примерно половину туда, примерно половину сюда, и мы в любом случае получим нужную информацию. Но если у меня всего две копии, я должен быть уверен, что одна из них достанется вам, а другая мне. Как только у вас появляется точка начала репликации, вы можете уменьшить количество копий хромосом, но после этого вы уже не сможете вернуться к использованию рекомбинации. Это первая проблема — отношения между количеством копий генома и клеточным циклом. Большое количество копий хромосом позволяет случайный подход к делению клеток», — объясняет Аллерс.

Все мы немножко... вирусы?!

Однако это вызывает следующий вопрос: зачем галофераксу вообще нужны эти точки, если без них ему не только хорошо, но и даже лучше? Аллерс полагает, что самые первые клетки имели множество копий генома, как галоферакс, и при его копировании полагались на механизм рекомбинации.

«Это не такая уж плохая идея, потому что рекомбинация — очень важный процесс во всех живых организмах. Белки семейства Rad, отвечающие за процесс рекомбинации, есть и у бактерий, и у архей, и у высших животных. <...> Это указывает на то, что способность к рекомбинации — очень древняя, она должна была быть уже у самых первых клеток, так же как и репликация ДНК», — считает он.

Однако в какой-то момент в геноме этих ранних клеток, еще не разделившихся на бактерии, архей или эукариот, появляется «эгоистичная ДНК» — так называют генетические последовательности, которые никак не способствуют выживанию организма, а иногда даже мешают ему, но при этом способны увеличивать число своих копий в геноме. Эту ДНК мог принести с собой вирус, проникший в клетку. Далее закрепиться в геноме эта «эгоистичная ДНК» могла благодаря способности привлекать молекулярный механизм, отвечающий за репликацию ДНК, так чтобы копирование генома всегда начиналось с нее. Возможно, в составе этой древней «эгоистичной» последовательности был белок, притягивающий необходимые ферменты.

«Если вы посмотрите на геном галоферакса, половина генов, кодирующих белки, которые "распознают" точку начала репликации, связываются с ней и запускают процесс репликации, выглядят так, как будто они были привнесены вирусами. То есть вирусы неоднократно вторгались в геном галоферакса и приносили с собой свои точи начала репликации и связывающиеся с ними белки. Этот процесс можно наблюдать и сейчас — почему бы не предположить, что он имел место и очень-очень давно, в начале времен», — рассуждает ученый.

С точками начала репликации древние клетки стали делиться медленнее, потому что копирование ДНК стало возможно начинать только в одной точке, но зато эту точку оказалось удобно использовать для регуляции клеточного цикла, чтобы контролировать время и место начала репликации. А если репликацию можно начинать в определенное время, то можно попытаться снова ускорить процесс, разбив геном на небольшие хромосомы, копирование которых будет начинаться в одно и то же время.

«Я думаю, что в процессе эволюции клетки использовали вмешательство "эгоистичной" ДНК и превратили ее в преимущество, потому что она позволяла им контролировать клеточный цикл», — считает Аллерс.

Возможно, этому поспособствовало то, что вместе с точками начала репликации древние клетки унаследовали от вирусов и другие механизмы, помогающие копировать ДНК и регулировать клеточный цикл. Более того, есть гипотеза, согласно которой самые первые клетки использовали для хранения и передачи наследственной информации молекулы РНК, а не ДНК. ДНК в клетки могли принести вирусы, и в какой-то момент репликационный механизм переключился с клеточной РНК на вирусную ДНК, вместе с которой клетками могли быть унаследованы и точки начала репликации.

«Так что можно сказать: мы - просто огромные вирусы», — шутит Аллерс.

Чем галоферакс похож на раковые клетки

Практическое применение открытия Аллерса и его коллег может лежать в области изучения раковых клеток. Галоферакс и раковые клетки — это далеко не одно и то же, однако некоторые сходства у них есть. В частности, для раковых клеток характерно большое количество копий генома и использование механизма рекомбинации, которое делает геном клетки очень нестабильным.

«Нестабильность генома мы также наблюдаем у галоферакса. Даже в лаборатории, пока мы проводили эксперименты, мы видели, как его геном меняется — и это без воздействия каких-либо стрессовых факторов, которые обычно заставляют клетки мутировать. Я вижу сходство между раковыми клетками и галофераксом в том, что метод репликации в обоих случаях хаотичен и слабо регулируется. Если мы сможем понять, как клетки могут жить без точек начала репликации, может быть, мы поймем, как раковые клетки могут обходить стандартные ограничения их деления. Конечно, у них какой-то другой механизм, но изучение галоферакса может направить нас в нужном направлении», — заключает исследователь.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы