Перестройки ядра у ресничных простейших

Данный пример показывает, возможно, самую массивную и удивительно быструю геномную реорганизацию, известную науке. В течение одного жизненного цикла собирается полностью новый геном, управляющий митотическим размножением клеток. Собирается он из зародышевого генома, организованного абсолютно отличным образом. Клетки ресничных простейших имеют два ядра. Маленькое ядро, микроядро, неактивно, но несет в себе половые хромосомы. Большое ядро, макроядро, активно и производит функциональные РНК для роста клетки в митозе. Таким образом, эти простейшие имеют раздельно половое и соматическое ядра внутри одной и той же клетки.
Когда культура клеток ресничных простейших лишается пищи, клетки отвечают следующей последовательностью событий [1]:

1. Мейотическое деление полового микроядра с последующим образованием ядра гаплоидной гаметы.
2. Встреча и обмен гаплодиными ядрами двух постмейотических клеток.
3. Слияние гамет с образованием диплоидного ядра-зиготы.
4. Деление зиготы.
5. Распад старого макроядра.
6. Развитие зиготы в новое макроядро.

Развитие макроядра из зиготы претерпевает серию поразительных клеточных и геномных превращений:

1. Половые хромосомы проходят процесс эндорепликации без деления ядра. В результате этого образуется множество дубликатов хромосом (polytene, букв. "много лент"), которые весьма похожи на те, что находятся в слюнных железах мушки Drosophila.
2. Мембранные везикулы (пузырьки) окружают участки политеновых хромосом, тогда как те претерпевают разделение на тысячи отдельных ДНК молекул (размер и количество фрагментов варьирует в зависимости от вида).
3. Хромосомная ДНК постепенно фрагментируется. Участки ДНК, которые удаляются, содержат специальные участки IES (internal eliminated sequences), а участки ДНК, которые оставляются, содержат MDS (macronuclear destined sequences) участки. Теперь мы знаем, что MDS определяются РНК молекулами, находящимися в старом макроядре, однако точный механизм РНК управления до сих пор неясен [2]. Участки IES составляют обычно больше 90% полового генома. Остающиеся MDS участки содержат тысячи мелких минихромосом, каждая во многих экземплярах.
4. Каждая минихромосома, судя по всему, кодирует один белок. Некоторые сегменты MDS или минихромосом уже присутствуют в конечной форме в половых хромосомах и нуждаются лишь в вырезании с помощью нуклеазы. Однако многие из минихромосом макроядра должны быть собраны соединением нескольких MDS участков. В совсем немногих случаях, например, в случае последовательностей, кодирующих ДНК полимеразу и другие ключевые белки, участки MDS присутствуют в "зашифрованных" местоположениях в половых хромосомах (в порядке и ориентации, отличных от соответствующих последовательностей макроядра). Количество таких зашифрованных MDS участков достигает десятков для одной кодирующей последовательности, и они должны быть должным образом вырезаны, дешифрованы, выровнены и соединены для нормальной жизнедеятельности макроядра. Детали такого удивительного процесса дешифровки остаются неясными, но РНК старого макроядра, очевидно, играет роль в процессе точного соединения кусков [3].
5. Как только конечные многокопийные минихромосомы макроядра образовались, фермент теломераза добавляет теломерные повторы с каждого конца минихромосом, чтобы они могли полностью реплицироваться. Теломераза является специальной формой обратной транскриптазы, которая полимеризует теломерные повторы на матрице РНК [4].
6. Многокопийные хромосомы макроядра не имеют центромер, однако они в состоянии поддерживать себя на протяжении сотен клеточных делений в лаборатории. Также некоторые ресничные не обладают микроядром в природных условиях. Это указывает на то, что макроядро само по себе играет ключевую роль в вегетативном росте и что минихромосомы макроядра стабильно наследуются в природе. Каким образом они неизменно поддерживаются и распределяются во время деления макроядра остается загадкой.

Когда бы кто-нибудь ни подвергал сомнению возможность живых организмов осуществлять биологически значимые, быстрые и крупномасштабные перестройки генома, ему стоит обратить внимания на ресничных простейших. Каждый период голодания и полового процесса демонстрирует то, что эти организмы постоянно вовлекают тысячи реакций ДНК разрыва и зашивания для преобразования функционального мейотического генома в структурно отличный соматический геном в течение каких-то часов. Крупномасштабные и быстрые геномные перестройки происходят вокруг нас все время.



Словарь

Простейшие (Protozoa) -- группа одноклеточных или живущих в колониях организмов, имеющих оформленное ядро (эукариоты). Например, инфузория туфелька.

Митоз -- специализированное деление клетки на две.

Мейоз -- деление клетки, при котором образуются гаметы, или половые клетки. При таком делении набор хромосом становится гаплоидным, то есть одинарным.

Половой -- с одинарным набором хромосом.

Соматический -- с двойным набором хромосом, диплоидные клетки.

Гамета -- клетка с одинарным (гаплоидным) набором хромосом, половая клетка.

Зигота -- клетка, получающаяся в результате слияния двух клеток (гамет) разного пола с гаплоидным набором хромосом, диплоидная клетка.

Нуклеаза -- фермент расщепляющий фосфодиэфирную связь в нуклеиновых кислотах, при этом связь между азотистыми основаниями разрывается.

Теломерный повтор -- концевые участки ДНК, не способные к соединению с другими молекулами ДНК, обладают защитной функцией, а также обеспечивают правильную ДНК репликацию.

ДНК репликация -- удвоение молекулы ДНК.

Центромера -- место соединения двух хроматид, играет важную роль в правильном распределении хромосом во время митоза.


Литература

[1] Геномные перестройки у ресничных простейших в литературе:
  - Prescott, D.M. Genome gymnastics: unique modes of DNA evolution and processing in ciliates. Nat Rev Genet 1, 191-8 (2000).
  - Juranek, S.A. and Lipps, H.J. New insights into the macronuclear development in ciliates. Int Rev Cytol 262, 219-51 (2007).
  - Betermier, M. Large-scale genome remodelling by the developmentally programmed elimination of germ line sequences in the ciliate Paramecium. Res Microbiol 155, 399-408 (2004).
  - Chalker, D.L. Dynamic nuclear reorganization during genome remodeling of Tetrahymena. Biochim Biophys Acta 1783, 2130-6 (2008).
  - Jonsson, F., Postberg, J. and Lipps, H.J. The unusual way to make a genetically active nucleus. DNA Cell Biol 28, 71-8 (2009).

[2] Точный механизм управления MDS участками с помощью РНК материнского макроядра до сих не выяснен:
  - Mochizuki, K. and Gorovsky, M. A. Small RNAs in genome rearrangement in Tetrahymena. Curr Opin Genet Dev 14, 181-7 (2004).
  - Nowacki, M. et al. RNA-mediated epigenetic programming of a genome-rearrangement pathway. Nature 451, 153-8 (2008).

[3] За - и дешифровка кодирующих последовательностей разбросанными MDS участками:
  -  см. предыдущие ссылки Mochizuki 2004 и Nowacki 2008.
  - Meyer, E. and Duharcourt, S. Epigenetic regulation of programmed genomic rearrangements in Paramecium aurelia. J Eukaryot Microbiol 43, 453-61 (1996).
  - Wong, L.C. and Landweber, L.F. Evolution of programmed DNA rearrangements in a scrambled gene. Mol Biol Evol23, 756-63 (2006).
  - Duharcourt, S., Lepere, G. and Meyer, E. Developmental genome rearrangements in ciliates: a natural genomic subtraction mediated by non-coding transcripts. Trends Genet 25, 344-50 (2009).

[4] Теломерные повторы:
  - Greider, C.W. and Blackburn, E.H. A telomeric sequence in the RNA of Tetrahymena telomerase required for telomere repeat synthesis. Nature 337, 331-7 (1989).