Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» с коллегами из США провели исследование геномики комаров рода Anopheles. В поиске механизмов переноса малярии генетики обнаружили ранее неизвестные петли в клеточном ядре ДНК. Уникальная находка поможет понять принципы строения и механизмы нарушения генома, приводящие к инфекционным заболеваниям. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
В переводе с латыни Anopheles означает «вредный», «бесполезный», «никчемный». Резко негативное название этого рода комаров совсем не удивительно, ведь они являются переносчиками малярии и распространяют множество других смертельно опасных инфекций. Противомалярийные вакцины недостаточно эффективны, а применение инсектицидов и осушение болот для направленной борьбы с ними наносит урон экосистеме. Анофелесы действительно вредоносны, но, как выяснили новосибирские генетики, не так уж бесполезны и никчемны, по крайней мере, для науки.
а — калиброванное по времени филогенетическое дерево показывает приблизительные эволюционные расстояния между выбранными видами Anopheles. Цифры в прямоугольниках показывают время расхождения в миллионах лет (млн лет) для каждой ветви. b — взрослая самка комара An. Merus. c — эмбрионы An. atroparvus на стадии развития 15—18 ч. d — визуализация экспериментов Hi-C; цветная полоса отражает частоту контактов.
К биологии малярийных комаров существует большой практический интерес, ведь до сих неизвестно, какие свойства делают их подходящими организмами для переноса болезней. Кроме того, анофелесы — большой род, и только часть видов способна к переносу малярийного плазмодия. В чем же особенность переносчиков и можно ли воздействовать на них, чтобы заблокировать эту способность?
Отправной точкой исследований ученых из ФИЦ ИЦиГ СО РАН стал сравнительный анализ пяти разных видов анофелесов. Некоторые из них были близкими, недавно разошедшимися по эволюционным веткам, а другие — разделены миллионами лет. Для нас все комары кажутся одинаковыми, но разница между видами может быть столь же большой, как между человеком и китом.
После расшифровки и сравнения генетических последовательностей разных видов выяснилось, что на способность переносить малярийный плазмодий влияют механизмы укладки петель ДНК. Полтора десятилетия назад в распоряжении генетиков появился инструмент, позволяющий узнать пространственную структуру распределения ДНК внутри клеточных ядер. Хромосомы иерархически свернуты внутри клеточных ядер на территории, домены и субдомены, но функциональное значение и эволюционная динамика этих иерархий до сих пор плохо определены. Однако несколько лет назад новосибирским биологам удалось применить комплекс методов захвата конформации хромосом (Hi-C), позволяющий определять укладку ДНК в ядре, а также искать крупные перестройки, с высокой точностью моделируя пространственную организацию генома.
«ДНК очень плотно упакована в ядре, петли там уложены в отдельные клубки, — объяснил ведущий научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Вениамин Семёнович Фишман. — Биохимический эксперимент по методу Hi-C состоит в том, что клетки фиксируют формальдегидом и затем ДНК разрывают специальными ферментами, после этого близкие друг к другу участки генома сшивают обратно. Полученные молекулы секвенируют. Это большой объем данных, прочитывая которые, мы ищем соединившиеся друг с другом участки. Привлекая вычислительные подходы биоинформатики, нам в результате удалось построить карту трехмерных контактов ДНК».
Петли ДНК под световым микроскопом
Как оказалось, консервативность образования петель ДНК связана с тем, что они образуются в богатых генами районах. Вместе с такими районами косвенно сохраняется и специфическое расположение петель, различающихся по своему происхождению примерно на сто миллионов лет. Прямых свидетельств естественного отбора в пользу сохранения петель генетики не обнаружили. Опыты подтвердили результаты аналогичных исследований на сперматозоидах мыши и эритроцитах курицы.
Однако анофелесы были полезны не только с точки зрения эволюционного вопроса. Как это часто бывает в науке, самое интересное оказалось совсем не там, где изначально искали. «Когда мы провели анализ и идентифицировали петли, обнаружилось, что у этих видов комаров есть абсолютно уникальные гигантские петли, которые соединяют участки, удаленные друг от друга на миллионы нуклеотидов, — сообщил Вениамин Фишман. — Если ДНК будет двигаться в ядре случайным броуновским движением, то у таких локусов не будет никаких шансов встретиться. Например, если два человека в разных районах большого города выйдут на прогулку, они не встретятся, даже если будут идти навстречу друг другу. Так и встреча этих удаленных на десять миллионов пар оснований участков генома — очень маловероятное событие. Тем не менее у всех пяти выбранных видов комаров мы нашли такие петли».
Таким образом, ученые обнаружили новый механизм образования петель ДНК, ведь ни один ранее известный механизм их образования не объясняет найденные у комаров структуры. Зачем петли загнуты таким образом и как они формируются, остается загадкой, которую предстоит решить. Известно лишь, что расположение петель прямо влияет на работу ДНК, а нарушение архитектуры этой молекулы связано с рядом наследственных заболеваний. Тем не менее эволюционная находка сама по себе имеет фундаментальное значение для биологии и открывает перспективы новых исследований, как, например, выявление подобных генетических структур у дрозофилы, мыши, человека. На практике это также поможет понять, как в ходе эволюции комары вырабатывают способность к переносу малярийного плазмодия и как происходит адаптация к инсектицидам. Наконец, если петли ДНК позволяют этим насекомым переносить опасные инфекции, вероятно, методами геномного редактирования ученым удастся блокировать эту вредоносную функцию.
Глеб Сегеда
Фото CDC/James Gathany, иллюстрации предоставлены исследователями
