Биологи Санкт-Петербургского государственного университета впервые систематизировали все известные случаи избирательного удаления генетического материала в клетках живых организмов. Исследование поможет понять, насколько пластично может быть организован геном, а полученные данные потенциально могут пригодиться в лечении заболеваний, связанных с увеличением числа хромосом.

Результаты работы, поддержанной грантом РНФ, опубликованы в журнале Biological Reviews.

Считается, что генетический материал в клетках живых организмов чрезвычайно консервативен: это необходимо для передачи генетической информации от поколения к поколению.

Изменения в уровне стабильности геномов приводят к необратимым последствиям, связанным с онкологической трансформацией и гибелью живых организмов. Тем не менее, как отметил первый автор статьи, младший научный сотрудник СПбГУ Дмитрий Дедух, существует ряд организмов, для которых удаление генетического материала — привычная ситуация.

Этот феномен обнаружен у широкого спектра организмов: от одноклеточных до млекопитающих. Так, в частности, удаление генетического материала встречается у инфузорий, различных беспозвоночных (паразитических нематод, копепод, ногохвосток, насекомых кокцид, грибных комариков и многих других) и позвоночных (миног и миксин, у всех известных воробьиных (певчих) птиц и даже у бандикутов, опоссумов и некоторых видов иглистых мышей).

Авторы статьи — доцент кафедры цитологии и гистологии СПбГУ Алла Красикова и младший научный сотрудник лаборатории структуры и динамики клеточного ядра СПбГУ Дмитрий Дедух / ©Пресс-служба СПбГУ

Кроме того, это явление наблюдается у межвидовых гибридов растений и животных, а также может вызываться определенными паразитическими элементами, такими как эндосимбиотические бактерии из рода Wolbachia, и некоторыми добавочными хромосомами.

Избирательная элиминация генетического материала включает как удаление определенных последовательностей внутри хромосом, так и удаление целых хромосом и даже полного материнского или отцовского набора хромосом. По словам Дмитрия Дедуха, у всех этих животных удаление происходит на определенных стадиях развития и при этом не снижает жизнедеятельность, а, напротив, необходимо для выживания.

Механизмы элиминации одного из родительских геномов при гибридогенезе на примере зеленых лягушек комплекса Pelophylax esculentus (фрагмент рисунка 8 из статьи D. Dedukh, A. Krasikova. Delete and survive: strategies of programmed genetic material elimination in eukaryotes. / 2021, Biological Reviews) / ©Пресс-служба СПбГУ

«В нашей работе мы описали наиболее известные примеры среди различных групп живых организмов с указанием детальных механизмов, приводящих к удалению части генетического материала. В ранних обзорах многие случаи удаления генетического материала не рассматривались, что делает нашу работу наиболее полным исследованием подобного рода. Мы выяснили, что, несмотря на различия в структуре последовательностей ДНК, предназначенных для удаления, многие случаи удаления характеризуются сходными стадиями, во время которых происходит распознавание, маркирование, пространственное разделение, удаление и деградация генетического материала», — подчеркнула соавтор статьи, доцент СПбГУ Алла Красикова.

Дмитрий Дедух отметил, что проведенное исследование важно для широкого спектра специалистов в различных областях биологии и биомедицины. Понимание процессов удаления генетического материала может быть полезно для решения актуальных проблем сельского хозяйства и аквакультуры. Также полученные данные потенциально могут использоваться в биомедицине, в том числе для лечения заболеваний, связанных с увеличением числа хромосом. Еще одно применение систематизированных в обзоре сведений — это разработка альтернативных методов редактирования геномов и наборов хромосом.

«Несмотря на то, что феномен избирательного удаления генетического материала был открыт более 120 лет назад, в настоящий момент нет полного понимания того, как именно происходит распознавание и удаление последовательностей ДНК у подавляющего большинства живых организмов, которым свойственно это явление. Мы ставим целью показать, что удаление генетического материала представляет собой чрезвычайно распространенный и недооцененный феномен, требующий тщательного изучения», — рассказал Дмитрий Дедух.

В обзоре представлены как результаты собственных исследований ученых СПбГУ, выполненных при поддержке гранта Российского научного фонда, так и обобщение результатов работ ведущих специалистов в области избирательной элиминации геномных последовательностей.