Ключевые части генетического кода плодовой мухи наконец расшифрованы

Впервые исследователи расшифровали генетический состав всех центромер многоклеточного организма — и обнаружили участки ДНК, которые могут быть ключевыми в делении хромосом. Ошибки в выполнении этой работы могут привести к раку, врожденным дефектам или смерти. Команда ученых сообщила о достижении в PLOS Biology.

Центромеры, которые придают большинству хромосом характерную форму Х, помогают перемещать хромосомы в делящихся клетках. «Хромосома — это автобус, а наши ДНК и гены — пассажиры. Центромера — это водитель автобуса », — говорят ученые. «Это то, что перемещает хромосому после копирования ДНК в новые дочерние клетки».

До сих пор ученые очень мало знали об этих генетических «водителях автобусов». Были охарактеризованы некоторые центромеры у кукурузы, лошадей, дрожжей и других грибов — и даже один человеческий, который управляет Y-хромосомой. Но в основном то, 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 расшифровку генома Drosophila melanogaster, но по правде говоря, исследователи пропустили центромеры мух и другую повторяющуюся ДНК. (Человеческий геном также на самом деле не завершен; человеческие центромеры, кроме хромосомы Y, до сих пор остаются загадкой.)

Причина недосмотра была технической: для определения последовательности генома, то есть определения порядка химических букв ДНК, известных как базы, ученым сначала пришлось разрезать ДНК на крошечные кусочки длиной около 150 оснований. 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 оснований, поэтому многие маленькие кусочки выглядят одинаково. «Это как пытаться собрать мозаику голубого неба, когда все кусочки головоломки выглядят одинаково», — говорит Аманда Ларракуенте, эволюционный генетик из Университета Рочестера в Нью-Йорке.

Аманда и ее коллеги использовали новую технологию для секвенирования ДНК длиной от 10000 до 100000 оснований. «Это все равно что иметь гораздо большие кусочки головоломки, — говорит Ларракуенте, — так что теперь мы можем поймать облачко в наших кусочках голубого неба, и это облегчает понимание того, как эти кусочки ДНК подходят друг другу».  Исследователи также использовали несколько других техник, чтобы соединить центральные пазлы.

Когда ученые, наконец, закончили собирать кусочки центромеры, они обнаружила участки повторяющейся ДНК, перемежающиеся с «островками» прыгающих генов. 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 разрушает важный ген. Но помимо вреда, транспозоны также сформировали эволюцию человека.

Центромера каждой хромосомы плодовой мухи уникальна, хотя все они имеют одинаковую базовую структуру островков ретротранспозонов — особенно ретротранспозонов G2 / Jockey-3 — в окружении моря повторяющейся ДНК. 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 основание, вокруг которого могут образовываться новые центромеры, или транспозон может просто перепрыгивать в центромеры чаще, чем в другие части генома.

Исследователи обнаружили одну подсказку, намекающую на то, что G2 / Jockey-3 может сеять центромеры: ключевой белок центромер, называемый CENP-A, цепляется за эти транспозонные островки. Этот белок помогает закрепить центромеру на клеточном механизме, разделяя хромосомы на новые дочерние клетки. Обнаружение того, что CENP-A прилипает к островам транспозонов, позволяет предположить, что прыгающие гены могут быть на «сиденье водителя центромеры».

Центромеры растений, грибов, летучих мышей, гиббонов и людей также содержат ретротранспозоны. Но никто на самом деле не знает, ведут ли эти транспозоны автобус или просто едут, говорит соавтор работы Барбара Меллон, генетик из Университета Коннектикута в Сторрсе. Некоторые ученые утверждают, что есть доказательства того, что транспозоны являются «пассажирами»: в кукурузе центромеры движутся первыми, а ретротранспозоны прыгают на борт позже. Вооруженные структурой центромер, Меллон и ее коллеги надеются выяснить, насколько важны прыгающие гены для поддержания центромер плодовой мухи и их хромосом на правильном пути.

C.-H. Chang et al. Islands of retroelements are major components of Drosophila centromeres. PLOS Biology. Vol. 17, May 14, 2019. doi:10.1371/journal.pbio.3000241.