Микроскопический жароустойчивый гриб оказался чемпионом мутаций
Скорость накопления мутаций у гриба нейроспоры густой (Neurospora crassa) оказалась на два порядка выше, чем у любого клеточного организма, сообщается в BMC Genome Biology. 96–98 процентов мутаций связаны с мобильными генетическими элементами. Однако механизм их появления изначально был связан с повторами участков ДНК, которые могут возникнуть при половом размножении, поэтому собственные гены нейроспоры тоже часто мутируют — и это не всегда идет организму во благо.
Нейроспора густая (Neurospora crassa; часто ее называют просто нейроспорой) — широко распространенный микроскопический гриб из группы аскомицет. Гриб выживает на бедных питательными веществами средах, а его аскоспоры (споры полового размножения) прорастают, если хотя бы час проведут при температуре 65 градусов Цельсия — клетки других организмов при такой температуре погибают. По этой причине нейроспоры часто заселяют культуры различных бактерий и грибов, и микробиологи долго не могут их оттуда вывести.
С другой стороны, особенности размножения N. crassa делают его удобным объектом для генетиков: это гаплоидный организм (то есть каждый ген в норме представлен одной копией), он охотно размножается бесполым путем (при этом потомки в теории не отличаются от родителей), но при недостатке некоторых питательных веществ переходит к половому размножению. В этом случае часть клеток делится, ДНК из одноименных хромосом, а у нейроспоры их 7, обмениваются сходными участками, в итоге образуется обычно 8 аскоспор. Они лежат в аске (сумке) друг за другом, а поскольку нейроспора представляет собой нити толщиной в одну клетку, легко проследить, куда какая аскоспора перемещается в ходе формирования.
Если при рекомбинации на одной хромосоме оказывается пара одинаковых фрагментов ДНК, нейроспора инициирует мутации в обоих таких фрагментах и тем самым нейтрализует их. Это называется repeat-induced point (RIP) mutation — точечные мутации, индуцируемые повторами. Кроме генов собственно нейроспоры с помощью таких мутаций можно было бы расправляться с мобильными генетическими элементами (МГЭ) — участками ДНК, способными перемещаться по геному (и даже передаваться от одного организма другому) и тем самым порой выводить из строя обычные гены. Но до сих пор не было известно, пользуется ли нейроспора RIP-мутациями, чтобы избавиться от мобильных генетических элементов.
Генетики из Нанкинского университета под руководством Сыхай Яна (Sihai Yang) в сотрудничестве с Лоуренсом Херстом (Laurence Hurst) из Университета Бата решили выяснить это путем скрещиваний нейроспор 5 линий и секвенирования геномов родительских организмов и их потомков. Всего прочли геномы 273 аскоспор. Среднее покрытие (число раз, которое один нуклеотид генома попал в какой-нибудь фрагмент последнего) при этом составило 37, удалось восстановить 96–97 процентов последовательностей ДНК каждой отдельной аскоспоры. Исследователи смотрели, какие участки ДНК мутируют от поколения к поколению: собственные гены нейроспоры или же мобильные генетические элементы. Также они измеряли мутационный груз — количество изменений ДНК, которые потенциально снижают приспособленность организма.
При половом размножении у N. crassa в среднем возникало 136,6 мутаций на геном за поколение. Если учесть длину генома нейроспоры, это 3,38 × 10−6 мутаций на пару нуклеотидов за поколение. Чаще мутации происходят только у вирусов, а у клеточных организмов аналогичное значение на два порядка ниже. Большая часть изменений ДНК связана с мобильными генетическими элементами и похожа на RIP-мутации — находит повторы в таких элементах, меняет одни нуклеотиды на другие и в результате выводит МГЭ из строя. Однако немало мутаций (5,34 на геном за поколение) снижают приспособленность нейроспоры — служат мутационным грузом.
Таким образом, нейроспора использует механизм точечных мутаций, индуцируемых повторами, для борьбы с мобильными генетическими элементами. Однако при этом затрагиваются не только повторы в МГЭ, но и в генах самой Neurospora crassa, поэтому их последовательности тоже меняются, и это не всегда выгодно для организма. Получается, нейроспора — исключение из общей закономерности, что скорость накопления мутаций в геноме должна быть минимальной (до тех пор, пока это не вредит приспособлению к имеющимся условиям).
Вероятно, мобильные генетические элементы — это бывшие стационарные участки ДНК, которые в какой-то момент «сбежали» из своих клеток. Похожее может случиться и с целыми клетками: так, трансмиссивная венерическая опухоль собак стала, по сути, самостоятельным одноклеточным организмом, хотя возникла 6,2 тысячи лет назад как любая другая опухоль в составе организма какого-то псового. Интересно, что сейчас она практически не эволюционирует.
Светлана Ястребова
Изучать на них магниторецепцию не получится
Исследователи из Великобритании и Германии на протяжении шести лет воздействовали суммарно почти на сто тысяч дрозофил магнитным полем и выяснили, что они не меняют свое поведение под действием этого поля и в целом никак на него не реагируют. Это опровергло результаты предыдущих экспериментов, где чувствительность мух к магнитному полю была доказана, — прошлые результаты ученые посчитали ложноположительными. Работа опубликована в Nature. Некоторые животные обладают магниторецепцией — например, перелетные певчие птицы мигрируют в основном по ночам и ориентируются по магнитному полю земли. Точно не ясно, как работает их внутренний компас, но основная гипотеза такая: в сетчатке из глаз есть криптохромы — светочуствительные белки, которые реагируют на магнитное поле, а в мозге — нейроны, которые обрабатывают информацию, поступающую с магниторецепторов сетчатки. Такую же способность ученые обнаружили и у летучих мышей. По некоторым данным, магнитное поле чувствуют и плодовые мушки дрозофилы (Drosophila). Криптохромы из их сетчатки реагировали на магнитное поле в экспериментах in vitro, а в других исследованиях [1, 2, 3] под действием магнитного поля их поведение менялось. Поэтому мух иногда используют как модельный организм, чтобы изучать магниторецепцию: геном дрозофил можно редактировать, и эксперименты над ними ставить проще, чем над птицами. Марко Бассетто (Marco Bassetto) из Ольденбургского университета имени Карла фон Осецкого и его коллеги из Великобритании и Германии решили проверить, на самом ли деле дрозофилы чувствительны к магнитному полю. Они воспроизвели несколько экспериментов на гораздо большей выборке и в более контролируемых условиях. Сначала они запустили мух в Т-образный лабиринт, к одному из рукавов которого было приложено магнитное поле с индукцией около 500 микротесла. Установку разместили в электромагнитно-экранированной камере в деревянном здании — в итоге фоновые радиочастотные поля сильно ослаблялись и не должны были повлиять на эксперимент. Дрозофил тестировали группами по 100 особей; предполагалось, что наивные мухи будут избегать рукава с магнитным полем (как это было в ранних экспериментах), а если научить их ассоциировать поле с наградой в виде сахарозы, то они станут предпочитать этот рукав. Однако ничего из этого не подтвердилось: и наивные, и обученные дрозофилы выбирали оба рукава с одинаковой частотой. А вот в контрольных экспериментах мухам удалось связать награду и запах. Всего ученые провели почти 1000 тестов и протестировали таким образом 97650 мух. Затем они поместили дрозофил в вертикальные пластиковые трубки, помещенные между двойными катушками. К одной из трубок было приложено магнитное поле с индукцией 500 микротесла, а к другой — нет. В таких трубках мухи обычно поднимаются, сопротивляясь земному притяжению, — это называется отрицательным геотаксисом (личинки некоторых насекомых, напротив, стремятся вниз, к земле). В предыдущих исследованиях под действием тусклого синего цвета и магнитного поля мухи поднимались медленнее. Здесь же ученые не обнаружили никакой разницы в скорости подъема мух в зависимости от наличия магнитного поля. Однако, как и в раннем эксперименте, под действием красного цвета дрозофилы поднимались медленнее, чем под действием синего (магнитное поле все еще не влияло). Затем ученые усовершенствовали экспериментальную установку и проверили в ней магнитные поля 0,90, 220 и 300 микротесла. Однако и тогда магнитное поле не влияло на скорость подъема насекомых. В предыдущих исследованиях также сообщалось, что магниточувствительность мух проявляется под действием более коротких волн света. Авторы проверили и это, но и здесь дрозофилы никак не реагировали. Авторы заключили, что дрозофилы, судя по всему, не способны ощущать магнитные поля околоземной силы (ниже 500 микротесла). А статистический анализ показал, что результаты ранних экспериментов были, вероятнее всего, ложноположительными: на это указывают небольшие выборки и низкая статистическая мощность. Таким образом, изучать магниторецепцию лучше на ночных мигрирующих певчих птицах. А ранее исследователи из Канады и США выяснили, что нейроны птиц, реагирующие на магнитное поле, активны только во время миграции. Во время ночного отдыха их активность снижается.