Впервые был расшифрован состав всех центромер многоклеточного организма

Впервые исследователи расшифровали и упорядочили генетический состав всех центромер многоклеточного организма, а также обнаружили участки ДНК, которые отвечают за деление. Ошибки возникшие при этом процессе могут привести к раку, врожденным дефектам или смерти.

Центромеры, которые придают большинству хромосом характерную форму Х, помогают перемещать хромосомы в делящихся клетках. «Хромосома — это автобус, а наши ДНК и гены — пассажиры. Центромер — это водитель автобуса», — говорит Бет Салливан, генетик и биолог, работающий в Медицинской школе Университета Дьюка, не участвовавшей в исследовании. «Это то, что перемещает хромосому после копирования ДНК в новые дочерние клетки».

До сих пор ученые очень мало знали об центромерах. Были изучены некоторые центромеры у кукурузы, лошадей, дрожжей и других грибов, а также один человеческий, который управляет Y-хромосомой. Всё что ученые знали о центромерах, это то, что они представляют собой невероятно длинные участки повторяющейся ДНК.

Хотя в 2000 году ученые сообщили, что они закончили изучение всех участков ДНК Drosophila melanogaster, но по правде говоря, исследователи пропустили их центромеры и другие повторяющиеся участки. (Человеческий геном также не изучен; человеческие центромеры, кроме хромосомы Y, до сих пор остаются загадкой.)

Плодовые мухи Drosophila melanogaster — первые многоклеточные организмы у которых расшифровали генетический состав центромер.

Причина недосмотра была технической: для определения последовательности генома, то есть определения порядка химических букв ДНК, ученым сначала пришлось разрезать ДНК на маленькие фрагменты длиной около 150 «букв». Компьютеры могут объединить геном, найдя, где совпадают две части. Центромеры, как правило, повторяют одни и те же буквы снова и снова и могут растягиваться на миллионы букв, поэтому многие маленькие кусочки выглядят одинаково.

«Это все равно что пытаться собрать мозаику голубого неба, когда все кусочки головоломки выглядят одинаково», — говорит Аманда Ларракуэнте, эволюционный генетик из Университета Рочестера в Нью-Йорке.

Ларракуенте и её коллеги использовали новую технологию для секвенирования ДНК длиной от 10000 до 100000 букв.

Если снова сравнить с мозаикой голубого неба, то «это все равно что взять гораздо большие кусочки головоломки. Так что это облегчает понимание того, как эти кусочки ДНК подходят друг другу» — добавила Ларракуенте.

Команда также использовала несколько других техник, чтобы соединить пазлы.

Эти методы должны позволить ученым заполнить пробелы в геномах других организмов, говорит Гернот Престинг, биолог из Гавайского университета в Маноа, не принимавший участия в исследовании.

Когда команда, наконец, закончила собирать кусочки центромер, она обнаружила участки повторяющейся ДНК, вперемешку с прыгающими генами. Эти прыгающие гены, или ретротранспозоны, представляют собой древние подвижные фрагменты ДНК, сродни вирусам, которые могут копировать себя и вставлять эти копии по всему геному. Иногда такой прыжок причиняет вред, например, когда ретротранспозон приземляется и разрушает важный ген.

Центромера каждой хромосомы плодовой мухи уникальна, хотя все они имеют одинаковую базовую структуру ретротранспозонов — особенно ретротранспозонов G2/Jockey-3. Исследователи обнаружили, что копии G2/Jockey-3 разбросаны в других местах генома плодовой мухи, но около 63 процентов его копий находятся в центромерах. Эти результаты могут означать, что транспозон — это место, вокруг которого могут образовываться новые центромеры, или транспозон может просто перепрыгивать в центромеры чаще, чем в другие части генома.

В клетках эмбрионов плодовой мухи происходит митоз. Хромосомы (синие), прикрепленные своими центромерами к канатообразным структурам, которые называются микротрубочками (красные), растягиваются в две отдельные клетки. Изображение: Марк Берриман.

Исследователи обнаружили одну подсказку, намекающую на то, что G2/Jockey-3 может порождать центромеры: ключевой белок центромер, называемый CENP-A, цепляется за эти транспозоны. Этот белок помогает закрепить центромеру на клеточном механизме, разделяя хромосомы на новые дочерние клетки. Обнаружение того, что CENP-A прилипает к транспозонам, позволяет предположить, что прыгающие гены могут управлять центромерами.

Источник https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000241