Беспозвоночные украли эпигенетическую метку у бактерий
Группа ученых из США обнаружила в геноме коловраток из класса Bdelloidea N4-метилцитозин — модифицированный нуклеотид, который раньше считался характерным только для бактерий. Авторы предполагают, что скопление N4-метилцитозинов в областях, содержащих транспозоны, может быть одной из причин относительно медленного размножения мобильных генетических элементов в геноме этих организмов. Статья, рассказывающая об исследовании, опубликована в журнале Nature Communications.
Эпигенетические метки — это ковалентные модификации нуклеотидов, которые позволяют записать в геном некоторую дополнительную информацию. У бактерий эпигенетические метки встречаются в основном в системах рестрикции-модификации, которые позволяют отличить «свою» ДНК от ДНК бактериофага.
У эукариот модификации нуклеотидов обычно регулируют экспрессию генов и препятствуют распространению транспозонов — последовательностей, способных к самостоятельному перемещению внутри генома. У эукариот встречается два основных типа эпигенетических меток: это цитозин с метилированным C5-атомом (5mC) и аденин с метилированным N6-атомом (6mA). У бактерий обычно встречается цитозин, метилированный по N4-положению (4mC), и до недавнего времени считалось, что у эукариот такая модификация не встречается.
Группа ученых под руководством Ирины Архиповой (Irina Arkhipova) из Морской биологической лаборатории обнаружила, что N4-метилцитозин встречается не только у бактерий, но и у коловраток из класса Bdelloidea. Эти беспозвоночные известны своей способностью включать в свой геном чужеродные гены (8–12 процентов белок-кодирующих генов этих животных имеют бактериальное происхождение). Биологи обнаружили у представителя этого семейства коловратки Adineta vaga ген, кодирующий белок N4CMT. Этот белок очень похож на бактериальную метилтрансферазу, которая метилирует цитозин по N4-атому. Авторы отмечают, что этот белок встречается у других представителей класса Bdelloidea, но отсутствует у других эукариот, в том числе у животных из родственного класса Monogononta. С помощью дот-блоттинга — метода, который позволяет детектировать в образце интересующие макромолекулы (в нашем случае — модифицированные нуклеотиды) — ученые подтвердили, что метилтрансфераза N4CMT действительно способна метилировать N4-атом цитозина у организма A. vaga.
Экспрессия генов регулируется не только модификациями нуклеотидов, но плотностью упаковки ДНК. Нить ДНК в клетке накручивается на белки гистоны, что увеличивает ее компактность. В зависимости от модификаций гистонов плотность упаковки ДНК может увеличиваться — это будет затруднять посадку на ДНК белков, необходимых для транскрипции. Совокупность плотно упакованных участков ДНК называется гетерохроматином. ДНК, которая упакована менее плотно, называется эухроматином, и экспрессия таких участков идет более активно.
Существует несколько модификаций гистонов, влияющих на плотность упаковки хроматина. Метилирование 9 или 27 лизина в последовательности гистона H3 (H3K9me3 и H3K27me3, соответственно) приводит к переходу участка ДНК в состояние гетерохроматина. В свою очередь метилирование лизина 4 (H3K4me3) приводит к превращению в эухроматин. Для того чтобы оценить взаимосвязь встречаемости модифицированных нуклеотидов с активностью эксперессии с данного участка ученые использовали иммунопреципитацию хроматина (ChIP-seq). В этом методе биологи использовали антитела к модифицированным гистонам. Затем последовательности, связанные с гистонами, выделяли и секвенировали. Анализ показал, что участки с повышенной встречаемостью 4mC и 6mA перекрывались с участками, находящимися рядом с гистонами H3K9me3 и H3K27me3 — маркерами гетерохроматина.
Такие области с высокой встречаемостью 4mC и высокой плотностью упаковки хроматина включали в себя в том числе и участки, содержащие транспозоны. Авторы отмечают, что транспозоны, содержащие 4mC модификации, имели в геноме Bdelloidea меньше копий, чем последовательности, которые не содержали таких меток (p = 6,8×10−8). Ученые отмечают, что коловратки из класса Bdelloidea в целом отличаются относительно маленьким количеством транспозонов, в то время как у родственного им класса Monogononta транспозоны могут составлять половину генома.
Помимо наличия бактериальной метилтрансферазы, в геноме Bdelloidea увеличено число копий гена, кодирующего белок SETDB1. SETDB1 — метилтрансфераза, которая распознает нуклеотидные последовательности и метилирует гистоны, превращая их в H3K9me3 и H3K27me3. Авторы предполагают, что SETDB1 у коловраток из класса Bdelloidea мутировала и начала распознавать последовательности, содержащие 4mC-нуклеотиды. Скопление таких нуклеотидов рядом с областями генома, содержащими транспозоны, привело к «замалчиванию» таких областей, чем и объясняется сниженная частота встречаемости транспозонов в геноме Bdelloidea.
Ранее мы писали о том, как с помощью эпигенетических маркеров ученые предсказали максимальную продолжительность жизни китов и мамонтов, а также определили биологический возраст голых землекопов.
Наталья Кондратенко
И помогли начать половой акт
Американские ученые выяснили, что тельца Краузе в половом члене и клиторе мышей возбуждаются при легких прикосновениях и механических вибрациях с частотой 40-80 герц. Специфические для этих рецепторов нейроны в спинальных ганглиях передают информацию в серую спайку спинного мозга в пояснично-крестцовом отделе. Мыши без телец Краузе с трудом начинали половой акт, а самцы реже достигали эякуляции, что говорит об их важной роли в сексуальном поведении. Препринт работы опубликован на сайте bioRxiv.org. Кожа человека хорошо иннервирована: по всему телу располагаются рецепторы, которые представлены как свободными нервными окончаниями, отвечающими за основную перцепцию прикосновений, температуры и боли, так и нервными окончаниями, заключенными в капсулу. Считается, что они ответственны за перцепцию специфических воздействий. Например, тельца Пачини воспринимают грубое механическое давление, а тельца Руффини — растяжение. Долгое время считалось, что колбы Краузе в надсосочковом слое дермы специфически воспринимают холод, однако дальнейшие исследования этого не подтвердили. При этом еще в конце XIX века Вильгельм Краузе, который впервые описал эти рецепторы, обнаружил их в губах, языке и гениталиях человека. В половом члене и клиторе они выглядят иначе (в этих местах они называются тельца Краузе, или генитальные тельца): они имеют цилиндрическую форму и содержат простые окончания (в коже волокна чаще свернуты в клубочек). Однако до сих пор не до конца ясна их роль и специфика перцепции. Дэвид Джинти (David Ginty) с коллегами из Гарвардской медицинской школы исследовали физиологию телец Краузе у мышей. С помощью окрашивания нейрофиламента-200 и белка S100 (первый отражает нервные волокна крупного калибра, а второй — терминальные шванновские клетки), они обнаружили в гениталиях самок мышей высокую плотность телец Краузе по всему клитору, но при этом они отсутствовали в ткани влагалища. В гениталиях самцов тельца наблюдались по всей головке полового члена и внутренней поверхности крайней плоти. Несмотря на разные размеры женских и мужских гениталий, общее количество телец Краузе в клиторе и пенисе было сопоставимым. Таким образом, плотность телец Краузе была в 15 раз больше в клиторе, чем в головке полового члена. Затем с помощью генетических исследований ученые выяснили, что в тельцах Краузе располагаются чувствительные отростки двух групп нейронов спинальных ганглиев пояснично-крестцового отдела: TrkB и Ret. Кроме того, дальнейший анализ показал, что отростки этих нейронов специфически образуют тельца Краузе (им не удалось найти в них чувствительные волокна от других нейронов). Информация от этих нейронов далее следует в заднюю часть серой спайки спинного мозга, которая находится около центрального канала, в пояснично-крестцовом отделе спинного мозга. Благодаря оптогенетическим методам и механическому воздействию удалось выяснить, что волокна нейронов TrkB и Ret являются А-волокнами, то есть хорошо миелинизированными волокнами со скоростью передачи импульса 3-11 метров в секунду. Кроме того, у волокон нейронов TrkB были низкие пороги механического возбуждения, быстрая адаптация и точная синхронизация по фазе для каждого цикла механических колебаний. При этом волокна нейронов Ret демонстрировали более высокие пороги механического возбуждения. Обе группы нейронов активно реагировали на вибрации с частотой 40-80 герц. Затем ученые исследовали, как тельца Краузе могут влиять на сексуальное поведение мышей. Они обнаружили, что прямая оптогенетическая стимуляция полового члена (десять герц, импульс две миллисекунды в течение 20 секунд) у мышей, которым в тельца Краузе (нейроны TrkB) внедрили опсины, приводила к эрекции у 6 из 10 животных. У контрольных мышей без опсинов эрекции не наблюдалось. Рефлекторные реакции на оптогенетическую стимуляцию телец Краузе нейронов Ret не тестировались, поскольку их было сложно промаркировать опсинами. Хотя у самцов, у которых не было телец Краузе, не наблюдалось проблем с эрекцией, у них были проблемы с введением полового члена во влагалище: они дольше начинали этот процесс и хуже его осуществляли. Кроме того, меньшее количество самцов без телец Краузе достигли эякуляции по сравнению с контрольной группой. У самок потеря телец Краузе также сопровождалась проблемами с началом полового акта. Таким образом, команда Джинти впервые так подробно описала структуру и физиологию телец Краузе в гениталиях мыши. По мнению ученых их результаты можно распространить и на человека, поскольку, например, вибрации с частотой 40-80 герц считаются возбуждающими и для людей. Однако у человека дополнительно необходимо исследовать влияние телец Краузе на сексуальное поведение. Об эволюции полового члена и его восприятия можно прочитать в книге Эмили Уиллингем «Парадокс пениса: Уроки жизни из мира животных» (издательство «Альпина нон-фикшн»).
