Ученые завершили первую фазу «всемирной переписи микробов»
Закончилась первая фаза проекта Микробиома Земли (The Earth Microbiome Project, EMP). Задачей проекта является составление наиболее полной картины биоразнообразия микроорганизмов на нашей планете. В ходе первой фазы было собрано и проанализировано 27 тысяч образцов из всевозможных сред обитания. Этот сбор продолжался в течение семи лет (в основном с помощью краудсорсинга) и затронул 43 страны на всех семь континентов. В рамках проекта сейчас идет около ста параллельных исследований. Новая база данных доступна на сайте earthmicrobiome.org. Статья о завершении первой фазы проекта опубликована в Nature.
Совокупность микроорганизмов, живущих в определенной среде и представляющих собой экологическое сообщество, называется микробиомом. Этой средой может быть участок почвы, водоем, воздушное пространство или, например, кишечник или кожа животных. В микробиом могут входить бактерии, археи, простейшие, одноклеточные грибы и вирусы, однако в каждом конкретном исследовании обычно уточняется, о какой именно группе идет речь. В рамках проекта EMP ученые подвергли мета-анализу наиболее многочисленную и разнообразную группу микроорганизмов (не считая вирусов), включающую бактерий и архей.
Ученые стремятся понять, как устроены микробные сообщества на планете и какие законы определяют их структуру и разнообразие. Для этого они проанализировали гены рибосомальных 16S РНК в 27,751 образцах со всего мира, собранных сотнями ученых, и получили более двух миллиардов «прочтений» их ДНК (DNA sequence reads). В результате было получено более 300 тысяч уникальных последовательностей 16S РНК, из которых почти 90 процентов ранее не было известно. По словам авторов, новая база данных в сравнении с предыдущими возможностями идентификации микробов аналогична сравнению Facebook с бумажной телефонной книгой.
Выяснилось, что тип среды гораздо сильнее влияет на биоразнообразие микробиома чем, например, географические факторы и многие другие экологические параметры. Так, микробиомы кожи китообразных (китов и дельфинов) и кожи рыб имеют гораздо больше сходства между собой, чем с микробиомами, например, окружающих вод. В свою очередь, микробиомы соленой воды и пресной воды различаются, но все равно больше похожи друг на друга, чем на микробиом кожи каких-либо водных животных. В целом, все микробиомы «свободных» сред оказались, как и ожидалось, гораздо более разнообразными, чем микробиомы каких-либо «хозяев».
Ученые сообщают, что полученные данные о биоразнообразии организмов в разных средах позволяют теперь, проанализировав состав и количественное соотношение разных представителей микробиома, в 90 процентов случаях верно определять среду, из которой он был получен. Такой «инструмент» может быть полезен, например, в криминалистике, полагают они.
Новая база данных содержит, во-первых, все полученные результаты, а во-вторых, позволяет удобным и унифицированным способом вносить и анализировать новые данные. Ученые подчеркивают, что соответствующий анализ основан на сравнении с точными последовательностями 16S РНК, а не с кластеризованными таксономическими единицами, как это принято в большинстве современных методах идентификации микробов. Ошибки в данном случае отфильтровываются с помощью программного обеспечения Deblur, которое нормализует результаты секвенирования и позволяет обойтись без кластеризации и связанных с этим процессом неизбежных обобщений. Это, полагают ученые, делает процедуру более четкой и позволяет отслеживать паттерны биоразнообразия и распространения тех или иных представителей микробиомов с беспрецедентной точностью.
В дальнейшем ученые планируют продолжать сбор данных и более полномерно изучать влияние на разнообразие микробиомов разных параметров среды, в том числе, высоты над уровнем моря, pH и температуры.
А о структуре микробиомов зубного налета и важности локальных микроскопических факторов можно прочитать здесь.
Анна Казнадзей
Ученые впервые вызвали партеногенез геномным редактированием
Генетики из американских и британских университетов обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил. Они внесли точечные изменения в мушиные гены, влияющие на текучесть мембран (Desat2), образование центриолей (Polo) и скорость пролиферации (Myc). Мухи-самки из созданной генетической линии успешно вступали в половое размножение, но были при этом способны к партеногенезу как минимум на протяжении двух поколений. Исследование опубликовано в журнале Current Biology. Партеногенез — развитие живых организмов из неоплодотворенной яйцеклетки — широко распространен среди животных. На филогенетическом древе чисто партеногенетические виды нередко соседствуют с практикующими «обычное» половое размножение. Иногда и вовсе удается описать спорадические случаи появления партеногенеза у отдельных представителей непартеногенетических видов. Следовательно, генетическая подоплека партеногенеза может возникать быстро по эволюционным меркам и должна быть в этом случае относительно несложной. Но конкретные молекулярные механизмы партеногенеза часто остаются нерасшифрованными. У мух, неспособных к партеногенезу, яйцо приостанавливается на стадии метафазы I мейоза, а дальнейшее развитие (завершение деления, отделение полярных телец и дальнейшие митотические деления) продолжается лишь после оплодотворения. Но встречаются и факультативно партеногенетические линии, в которых партеногенетические потомки составляют от десятых долей до десяти процентов популяции. Доктор Алексис Сперлинг (Alexis L. Sperling) из Кембриджского Университета с коллегами из американских университетов Мемфиса и Калифорнийского технологического исследовала механизм возникновения факультативного партеногенеза у мух вида Drosophila mercatorum. Генетики отобрали и секвенировали геномы и транскриптомы факультативно и облигатно партеногенетических штаммов D. mercatorum и сопоставили их между собой. При партеногенезе была изменена экспрессия 44 генов, связанных в основном с формированием центриолей и регуляцией клеточного цикла. Несмотря на то, что предки D. mercatorum и более изученной D. melanogaster разошлись более 40 миллионов лет назад, данные сравнительной геномики позволяют воссоздавать на более известном модельном объекте изменения, обнаруженные в геноме менее известного. Ученые воссоздали у D. melanogaster выявленные изменения активности генов, прибегая к CRISPR-редактированию генома, дупликациям генов, введению в геном генов антисмысловых РНК или энхансерных последовательностей. Самый высокий уровень партеногенеза был зарегистрирован в группах трансгенных D. melanogaster, у которых была повышена активность генов Polo (регулятор образования центриолей) или Myc (регулятор клеточного цикла), либо понижена активность генов Slmb (убиквитиновая лигаза, способствующая деградации Myc) и Desat2 (фермент, синтезирующий ненасыщенные жирные кислоты и регулирующий текучесть мембран). У каждого третьего облигатно партеногенетического яйца D. mercatorum полярные тельца или женские пронуклеусы вступали в митотические деления, давая начало эмбрионам (такая же картина наблюдалась в каждом восьмом случае факультативно партеногенетических линий). Количество полярных телец, способных спонтанно вступать в митоз (и тем самым формировать эмбрион) повышалось при повышении активности генов Myc и Polo. При этом многие мухи из партеногенетических линий после целлюляризации становятся недиплоидными (чаще всего, триплоидными) из-за нарушения образования веретена деления. Ученые получили 21 тысячу мух-самок D. melanogaster, гомозиготных по мутантным аллелям генов Polo, Myc и Desat2, и содержали их в отсутствии самцов. В общей сложности самки дали 143 взрослых потомка (в среднем 0,7 потомка на 100 мух), а у тех, в свою очередь, появилось два партеногенетических взрослых потомка второго поколения (1,4 процента от численности предыдущего поколения). Таким образом, линия животных, способных к партеногенезу на протяжении нескольких поколений, была впервые получена при помощи геномного редактирования. На основании полученных данных авторы предполагают следующий механизм факультативного партеногенеза. Повышение текучести мембран (цитоплазматической и мембраны эндоплазматического ретикулума) влияет на формирование центра организации микротрубочек и, следовательно, веретена деления. Его образование упрощает вступление в митоз. Такие изменения могли стать эволюционно выгодным приобретением при расселении мух в более холодные регионы (повышение текучести мембран, связанное со снижением активности десатураз, улучшает выживаемость мух при низких температурах). Впрочем, детали возникновения партеногенетических линий мух пока не до конца изучены — судя по диспропорции между небольшими изменениями в геноме и выраженным транскриптомным изменениями, часть изменений у партеногенетических D. mercatorum может носить эпигенетический характер (важность эпигенома для партеногенеза ранее была показана в эксперименте на мышах). О медийной шумихе вокруг возможности партеногенеза у человека и о генетических предпосылках к нему читайте в нашем материале «Половинка себя».