Амеба поможет изучать ДНК

Dictyostelium discoideum (диктиостелиум) — одноклеточный слизевик, обитающий во влажных растительных остатках и питающийся бактериями. При наступлении неблагоприятных условий, в первую очередь при истощении пищевых ресурсов, диктиостелиум образует многоклеточные плодовые тела, в которых развиваются споры. То есть часть жизненного цикла этот организм одноклеточный, а часть — многоклеточный.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В плодовом теле есть несколько клеточных типов, которые происходят из исходно одинаковых свободно живущих амебоидных клеток диктиотселиума. Такая особенность сделала диктиотселиума популярным модельным объектом в исследованиях клеточной дифференцировки, подвижности клеток и возникновения многоклеточности. Однако пространственная структура генома диктиостелиума до последнего времени оставалась неизученной.

Команда исследователей из Института биологии гена РАН, МГУ имени М. В. Ломоносова и «Сколтеха» использовала целый ряд высокопроизводительных методов изучения структуры генома для выяснения динамики укладки хромосом диктиостелиума на первых этапах формирования плодового тела. Оказалось, что ДНК этого слизевика организована в последовательность петель, основания которых содержат пары высоко активных генов, ориентированных навстречу друг другу. Кроме того, в основаниях петель находятся так называемые энхансеры — участки ДНК, усиливающие экспрессию генов. Внутренние области петель зачастую содержат гены, продукты которых обладают схожими функциями, поэтому петли можно рассматривать как структурно-функциональные единицы генома диктиостелиума. Такая организация удивительно стабильна: если петли ДНК в геномах животных часто меняются по ходу клеточной специализации, то в диктиостелиуме петли остаются стабильны по крайней мере в течение первых восьми часов созревания плодового тела (весь процесс занимает около суток).

Таким образом, изучение архитектуры ДНК микроскопических амеб с непростым жизненным циклом проливает свет на детали функционирования генома, которые, возможно, унаследованы еще от общего предшественника всех клеточных организмов. Исследование геномов «необычных» существ сулит открытия, которые обогатят фундаментальную науку и дадут новый толчок прикладным исследованиям.

Сергей Ульянов, ведущий научный сотрудник Института биологии гена РАН, доктор биологических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое структура генома? Как ее изучают?

— Структура генома в контексте данного исследования — это то, как геномная ДНК уложена в пространстве клеточного ядра, какие механизмы обеспечивают укладку и как она меняется в зависимости от разнообразных внешних и внутренних факторов. Для изучения пространственной структуры генома используют три подхода: микроскопию ядер с предварительным окрашиванием хромосом или отдельных генов, биохимические методы детекции пространственной сближенности различных фрагментов ДНК, компьютерное моделирование укладки хромосом.

— Почему для изучения был выбран именно диктиостелиум? Есть ли еще живые организмы с похожими свойствами?

— Диктиостелиум — популярный модельный организм в области исследований клеточной специализации, подвижности, межклеточной коммуникации и некоторых инфекционных заболеваний. Однако структура и свойства его хроматина изучены очень слабо. Мы постарались хотя бы отчасти закрыть этот пробел и наткнулись на интересные особенности, описанные выше. Нет основания думать, что геном многих низших эукариот может быть организован сходно с геномом диктиостелиума.

— Как исследования клеточной дифференцировки, подвижности клеток и возникновения многоклеточности помогут людям в науке и медицине?

— В медицине, биотехнологической и фармакологической индустрии всегда используются знания о структуре и закономерностях работы живых систем. Эти знания люди добывают в ходе фундаментальных научных исследований, цель которых не в создании той или иной технологии или лекарства, но в детальном и механистическом описании работы той или иной части живой клетки, целого организма или экосистемы. Практические приложения таких исследований всегда трудно предсказать, но одно можно сказать совершенно точно: без фундаментальных исследований природы не было ни одного из тех благ цивилизации, которыми мы сейчас пользуемся.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки