Για να υπερασπιστούν το γονιδίωμα, αυτά τα κύτταρα καταστρέφουν το δικό τους DNA | Περιοδικό Quanta

Η Marie Delattre μελετούσε τις πρακτικές σεξουαλικής αναπαραγωγής των μικροσκοπικών σκουληκιών όταν παρατήρησε κάτι απροσδόκητο. Κάτω από το μικροσκόπιο, ένα έμβρυο του νηματώδους Μεσορχαβδίτης μπελάρι χωριζόταν όπως έπρεπε, προχωρώντας από ένα κελί σε δύο σε τέσσερα. Αλλά μέσα σε μερικά κύτταρα είδε έναν ανεξήγητο ψεκασμό θραυσμάτων DNA να επιπλέουν εκεί που δεν ανήκαν.

«Υπήρχε DNA παντού, μέσα στους πυρήνες και έξω από τους πυρήνες – μεγάλα κομμάτια DNA», είπε. «Νόμιζα ότι ήταν ένα νεκρό έμβρυο».

Το έμβρυο δεν ήταν νεκρό, αλλά έκανε κάτι που συνήθως κάνουν μόνο τα νεκρά κύτταρα: καταστρέφοντας το γονιδίωμά του. «Άρχισα να προσπαθώ να εντοπίσω πότε εμφανίζονται αυτά τα θραύσματα, σε ποιο στάδιο και πώς μοιάζουν», είπε Delattre, κυτταρικός βιολόγος στην École Normale Supérieure στη Λυών. «Έτσι κατάλαβα ότι αυτό δεν είναι τυχαίο. Όλα τα έμβρυα το έκαναν αυτό».

Τι είχε συναντήσει η Delattre και τι περιέγραψε η ίδια και το εργαστήριό της σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον Αύγουστο Current Biology, ήταν μια περίπτωση προγραμματισμένης εξάλειψης DNA (PDE), στην οποία οι οργανισμοί φαίνεται να εξαλείφουν σκόπιμα τμήματα του γονιδιώματός τους. Είναι ένα περίεργο φαινόμενο που παραβιάζει την αρχή ότι ένα γονιδίωμα είναι ένας ζωτικής σημασίας, ιερός πόρος που πρέπει να μεταδοθεί πιστά στην επόμενη γενιά.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές έχουν εντοπίσει PDE μόνο σε περίπου 100 είδη σε όλους τους κλάδους της ζωής: Μονοκύτταρα βλεφαροειδή με πολλαπλούς πυρήνες κάνουν PDE. Το ίδιο συμβαίνει και με τα μικροσκοπικά σκουλήκια, καθώς και τα μήκους μέτρων εντερικά παράσιτα των αλόγων, πολλών εντόμων, ακόμη και ωδικών πτηνών. Αλλά το PDE μπορεί να είναι τόσο δύσκολο να εντοπιστεί που κανείς δεν ξέρει πόσο συνηθισμένο είναι πραγματικά. «Δεν είναι πολύ γνωστό ακόμη και μεταξύ των βιολόγων», είπε ο Delattre.

Εκτός από την επιβεβαίωση της ύπαρξης άλλης περίπτωσης PDE, το νέο έγγραφο του Delattre υπονοεί επίσης μια εξήγηση για αυτό. Το PDE επισημαίνει μια μακροχρόνια μάχη μεταξύ κυττάρων και αλληλουχιών DNA που δεν είναι χρήσιμα για τον ιδιοκτήτη τους, ή ίσως ακόμη και το βαραίνουν. Όπως οι κηπουροί, τα κύτταρα πρέπει να προστατεύουν το γονιδίωμά τους για να παραμείνουν λειτουργικά και παραγωγικά. Τι πρέπει να κάνει ένα κελί όταν μπαίνουν τα ζιζάνια; Η νέα μελέτη προτείνει ότι ορισμένα είδη, όπως Μ. μπελάρη, μπορεί απλώς να βγάλει τα ζιζάνια χρησιμοποιώντας PDE.

Παρά τη φαινομενική καινοτομία του, το PDE ανακαλύφθηκε στις πρώτες μέρες της μοριακής βιολογίας, πολύ πριν καν οι ερευνητές μάθουν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό της ζωής. Το 1887, ο Γερμανός βιολόγος Theodor Boveri μελετούσε την ανάπτυξη του Παρασκάρης, ένας νηματώδης που παρασιτώνει τα άλογα, όταν είδε το μεγάλο του γονιδίωμα να συγχωνεύεται, να κατακερματίζεται και στη συνέχεια να επανασυναρμολογείται σε μικρότερα τμήματα κατά τη διάρκεια της μίτωσης. Τα κομμάτια που έλειπαν φαινομενικά πετάχτηκαν στα σκουπίδια χωρίς τελετή.

Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, οι ερευνητές ανακάλυψαν μόνο μια χούφτα άλλους οργανισμούς - βλεφαρίδες, σκώρους, κωπηπόποδα, ληστάρια - που έκαναν PDE, και παρέμεινε μια ιδέα περιθωριακή. Αλλά γιατί κάποιο από αυτά τα είδη παρέμεινε ασαφές.

Για να καταλάβει τι συνέβαινε, το εργαστήριο του Delattre εξέτασε το DNA ενός ενήλικου σκουληκιού. Οι ερευνητές συνέκριναν τα γονιδιώματα του Μ. μπελάρητα βλαστικά κύτταρα - τα εξειδικευμένα αναπαραγωγικά κύτταρα όπως το σπέρμα και τα ωάρια - με τα γονιδιώματα των σωματικών (μη αναπαραγωγικών) κυττάρων του σκουληκιού. Από τα σωματικά γονιδιώματα έλειπαν μακριές σειρές αλληλουχιών που υπήρχαν στα γονιδιώματα βλαστικής σειράς. Κάποια στιγμή μεταξύ της ανάπτυξης του εμβρύου από τα επτά κύτταρα στα 32, τεράστια κομμάτια DNA είχαν εξαφανιστεί.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες παρακολούθησαν τα έμβρυα νηματωδών να αναπτύσσονται κάτω από ένα μικροσκόπιο. Καθώς τα κύτταρα μεγάλωναν και αντιγράφουν τα γονιδιώματά τους, έσπασαν 20 χρωμοσώματα σε θραύσματα και στη συνέχεια τα επανασυναρμολόγησαν σε 40 μικροσκοπικά χρωμοσώματα. Τα περισσότερα από τα θραύσματα επανενώθηκαν σε αυτό το νέο, μικρότερο γονιδίωμα — αλλά ένα σημαντικό κλάσμα έμεινε έξω.

Συνολικά, ο νηματώδης διέγραψε ένα τεράστιο ένα τρίτο του γονιδιώματός του. Οι διαγραμμένες αλληλουχίες δεν επιλέχθηκαν τυχαία. Υπήρχε ένα μοτίβο: Ήταν ως επί το πλείστον εξαιρετικά επαναλαμβανόμενα τμήματα DNA που δεν κωδικοποιούσαν καθόλου γονίδια, διαπίστωσε ο Delattre.

Παρόμοιες εκτάσεις επαναλαμβανόμενων ή μη κωδικοποιητικών αλληλουχιών συσκευάζουν τα γονιδιώματα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Μερικοί εκτελούν τις απαραίτητες λειτουργίες. Το δορυφορικό DNA, για παράδειγμα, σχηματίζει δομές όπως η ετεροχρωματίνη και τα κεντρομερή που συσκευάζουν το DNA, ενώ άλλα επαναλαμβανόμενα τμήματα ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων. Ωστόσο, ορισμένες επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες δεν συμβάλλουν στην επιβίωση του ξενιστή τους — και μπορεί ακόμη και να παρεμβαίνουν σε αυτήν.

Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει τρανσποζόνια, αυτοαναπαραγόμενες αλληλουχίες DNA που κλέβουν τον μηχανισμό του κυττάρου για να αντιγράψουν τον εαυτό τους κατά χιλιάδες ή εκατομμύρια. Αυτό ισοδυναμεί με μοριακή μεγάλη κλοπή, καθώς και σπατάλη χρόνου και ενέργειας που πρέπει να ξοδέψει το κύτταρο για να καταστείλει αυτές τις αλληλουχίες. Τα κύτταρα περιορίζουν συνήθως τα τρανσποζόνια με επιγενετικά σημάδια που τα σιωπούν ή αναχαιτίζοντας και καταστρέφοντας το RNA τους. Όμως ορισμένα είδη, όπως π.χ Μ. μπελάρη, μπορεί να τα αφαιρέσει εξ ολοκλήρου μέσω PDE.

Αυτό είναι που η Delattre υποψιάζεται ότι κάνουν τα νηματώδη της. Ο Jonathan Wells, ένας εξελικτικός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο Cornell που μελετά τα τρανσποζόνια και δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη, συμφωνεί ότι τα παράσιτα DNA είναι ένας πιθανός στόχος. Για τη διαχείριση των τρανσποζονίων, «όσο περισσότερο κοιτάς, τόσο περισσότερα συστήματα υπάρχουν», είπε.

Ωστόσο, τα τρανσποζόνια και άλλοι τύποι αυτοαναπαραγόμενου DNA δεν είναι απαραίτητα κακοί. Με την επανειλημμένη αντιγραφή τους σε όλο το γονιδίωμα, τα τρανσποζόνια παρέχουν επίσης στο κύτταρο φρέσκο ​​υλικό που μπορούν να μεταλλαχθούν και να εξελιχθούν σε νέα γονίδια. Κύτταρα ξενιστές ελεύθερα και ελεύθερα λαμβάνουν γενετικές αλληλουχίες από παρασιτικό DNA και να τα φτιάξετε μέρος του φυσιολογικού γονιδιώματος — ή, για να το δούμε αλλιώς, τα παράσιτα εξευγενίζονται αρκετά με τους ξενιστές τους για να υιοθετηθούν. «[Τα επαναλαμβανόμενα στοιχεία DNA] είναι το έδαφος στο οποίο βρίσκονται όλα τα άλλα γονίδια», είπε ο Γουέλς. «Είναι μια πλούσια πηγή καινοτομίας».

Δεδομένου ότι τα τρανσποζόνια μπορεί να είναι επιβλαβή και χρήσιμα, το PDE μπορεί να έχει χρήσεις εκτός από την καταπολέμησή τους. Ακόμη και ο Delattre δεν είναι πεπεισμένος ότι τα τρανσποζόνια είναι η όλη ιστορία. Αν και το επαναλαμβανόμενο DNA που Μ. μπελάρη Το διαγραμμένο ήταν επιβλαβές, "γιατί να απαλλαγείτε από το [παρασιτικό DNA] μόνο στα σωματικά κύτταρα και όχι στη βλαστική σειρά;" ρώτησε.

Εκτός από την καταπολέμηση των παρασίτων, η PDE μπορεί να βοηθήσει τα κύτταρα να εξορθολογίσουν τα γονιδιώματά τους καθώς προχωρούν σε διαφορετικά στάδια ζωής. Πολλά γονίδια που είναι κρίσιμα για την εμβρυϊκή ανάπτυξη ενός οργανισμού είναι περιττά στην ωριμότητα. Εάν ένα κύτταρο μπορεί να απαλλαγεί από αυτά τα γονίδια, γιατί να μην το κάνει για χάρη της αποτελεσματικότητας; Ένα μεγαλύτερο γονιδίωμα είναι πιο δύσκολο να αντιγραφεί και να διατηρηθεί, και η ακατάλληλη έκφραση των αναπτυξιακών γονιδίων θα μπορούσε να προκαλέσει προβλήματα. Στα σωματικά κύτταρα, τα οποία δεν χρειάζεται να περάσουν ένα πλήρες γονιδίωμα στους απογόνους, όπως κάνουν τα βλαστικά κύτταρα, η αφαίρεση μη ουσιωδών στοιχείων θα μπορούσε να είναι μια επιτυχημένη εξελικτική στρατηγική.

Κανείς δεν ξέρει με βεβαιότητα γιατί συμβαίνει το PDE. Δεδομένου ότι είναι ελάχιστα μελετημένο και έρχεται σε αντίθεση με πολλές βαθιές γενετικές έννοιες (ένα χαρτί, περιγράφοντας πώς ορισμένα ωδικά πτηνά εξαλείφουν ένα ολόκληρο χρωμόσωμα, που ονομάζονται αυτές οι διαγραφές «Μεντελιανοί εφιάλτες»), σχεδόν κάθε υπόθεση θα μπορούσε να κρατήσει νερό.

Αυτός είναι ακόμη ένας λόγος για τους βιολόγους να διευρύνουν την αναζήτησή τους, είπε ο Delattre: «Αν υπάρχει σε άλλα είδη που δεν γνωρίζουμε, πρέπει να το ψάξουμε». Κατανοώντας καλύτερα ποιος χρησιμοποιεί PDE, οι επιστήμονες μπορούν να έρθουν πιο κοντά στην κατανόηση του γιατί ορισμένοι οργανισμοί θα έπαιρναν τόσο δραστικά και δυνητικά επικίνδυνα μέτρα για τη διαχείριση του γονιδιώματός τους. "Νομίζω ότι είναι καλό στοίχημα ότι το PDE είναι πιο διαδεδομένο από ό, τι γνωρίζουμε", είπε ο Wells.