Ученые завершили первую фазу «всемирной переписи микробов»
Сбор образцов самых южных геотермальных почв на планете, на вершине горы Эребус, остров Росс, Антарктида
S. Craig Cary, University of Waikato, New Zealand
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.
Загрузка галереи
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».