Можно ли выжить после десятидневного пребывания в открытом космосе, как сделать человеческую клетку устойчивой к радиации и чему человечество может «научить» микроскопический «водный медведь»?
В начале многих фильмов о супергероях главный персонаж получает свои сверхспособности каким-то чудесным образом: его кусают, над ним ставят опыт, который выходит из-под контроля, он попадает под воздействие излучения или необычного вещества. Попытки создать сверхчеловека предпринимаются и в реальности – правда, пока только на уровне культуры клеток, но киносценаристам уже есть над чем работать.
Японские ученые прочитали геном тихоходки Ramazzottius variornatus, нашли ген, помогающий этому организму чинить ДНК в условиях радиации, и опробовали его работу в человеческих клетках, о чем сообщается в статье журнала Nature Communications.
Космические микромишки, воровство и скандал
Тихоходки (лат. Tardigrada), которых по-английски называют «водными медведями» – тип микроскопических беспозвоночных, родственный членистоногим. Такое название англоязычные авторы используют не случайно: трогательная внешность тихоходок больше подошла бы для комикса, чем для супергеройского фильма. Эти крошечные животные, которых легко найти во влажной моховой подстилке, напоминают игрушечных медведей длиной 0,1-1,5 мм с четырьмя парами ножек.
Несмотря на милый вид и внешнюю беззащитность в рейтинге «супергероев» среди многоклеточных тихоходки по праву занимают одно из первых мест. Даже многие одноклеточные экстремофилы (организмы, способные жить в самых суровых условиях среды: при рекордно высоких или низких температурах, давлении, радиации) могут только позавидовать их способности в состоянии анабиоза выдерживать тысячекратную летальную для человека дозу ионизирующего излучения, пребывание в обезвоженном состоянии на протяжении десятков лет, нахождение в атмосфере сероводорода. Тихоходки могут восстановиться после десятидневного пребывания в открытом космосе и жить несколько минут при температуре -272 градуса по Цельсию (это лишь на градус теплее абсолютного нуля, при котором молекулы перестают двигаться и химические реакции останавливаются).
По предположениям ученых, такие возможности тихоходки получили благодаря горизонтальному (внутри одного поколения, в отличие от вертикальногго – от родительского организму потомству) переносу генов – умению заимствовать полезные для выживания гены у других живых организмов. Отсеквенированные (прочитанные) ранее геномы тихоходок содержали множество чужеродных последовательностей ДНК (по разным данным, от 17 до 55%). С точки зрения генетика тихоходка выглядела как генетическое чудовище Франкенштейна, что и позволило предположить, что именно эта особенность делает этих беспозвоночных такими устойчивыми. Но в дальнейшем этот результат поставили под сомнение исследователи из Эдинбурга, утверждавшие, что образец был просто загрязнен ДНК других видов.
Ramazzottius variornatus оправдали в генной клептомании
Японские ученые решили разобраться в истории с воровством генов у Ramazzottius variornatus – одного из самых устойчивых видов тихоходок, – чтобы выделить те свойства, которые делают эти организмы практически неуязвимыми.
Чтобы минимизировать бактериальное загрязнение образцов, исследователи два дня не кормили тихоходок и обрабатывали их антибиотиками.
Использовав для перепроверки данные, прочитанные с помощью двух разных технологий – метода Сэнгера (основанный на обрыве цепи ДНК) и Illumina (придуманный компанией Solexa метод нового поколения с использованием флуоресцентных меток) – биологи прочитали и расшифровали геном этих тихоходок.
Вопреки ожиданиям, заимствованных генов у этих крошек оказалось всего 1,2 % (не более 1,8%, принимая во внимание погрешность). 40% от этого количества тихоходки получили от грибов, 38% – от бактерий, 14 % – от других животных, 7% имеют растительное происхождение, а 1% составляет ДНК, полученная от вирусов.
Генов, которыми не может похвастаться ни один другой организм, у тихоходок нашли гораздо больше: целых 41,1% от общего числа. Именно среди них, как предположили ученые, скрываются те, которые помогают «водным мишкам» чинить свою ДНК после действия повреждающих факторов и выживать в самых неприветливых местах обитания.
Секреты успеха от тихоходок
Благодаря этому исследованию мы знаем: если бы тихоходка Ramazzottius variornatus была вашим коучем и вела семинары о том, как достичь эволюционного успеха и расселиться по всему свету, она бы порекомендовала для начала разобраться в себе – точнее, в своем геноме. Там и безо всякого горизонтального переноса генов содержится множество информации, и только долгий путь естественного отбора помогает выяснить, что нужно найти и потерять, дабы обрести гармонию и сохранять ее во всех жизненных бурях.
Одним из самых важных советов стал бы такой: развейте то, что помогает сопротивляться стрессам. Например, полезно обзавестись дополнительными супероксиддисмутазами – оружием, превращающим супероксид (O2−, «суперзлодея» среди форм кислорода, очень активно вступающего в реакции и нарушающего их запланированный ход). Чтобы сорвать эволюционный куш, хорошо бы, как тихоходка, иметь 16 супероксиддисмутаз. То же самое и с белками MRE11, позволяющими чинить разрывы обеих цепочек ДНК: почти у каждого животного есть только один ген этого семейства, но никто более не может похвастаться четырьмя. И совсем не обязательно «воровать» их у бактерий: вы можете просто удвоить уже имеющиеся полезные гены, а потом одна из копий может приобрести новую полезную функцию в процессе естественных мутаций.
Но всегда стоит помнить, что генетический багаж сам по себе – сомнительное богатство. Если генов слишком много, на их копирование, починку и обработку содержащейся в них информации тратится слишком много ресурсов, поэтому вторым советом от тихоходок стала бы рекомендация избавиться от лишнего. Таковым может оказаться даже довольно важный участок генома, если его функции уже дублируются где-то еще: если некоторые белки в пероксисоме (органоид клетки, где происходит нейтрализация активных форм кислорода), ответственные за расщепление жирных кислот, имеют функциональных «двойников» в митохондрии (энергетической станции клетки), то вы не обязаны тащить за собой дополнительный груз. Мудрые тихоходки Ramazzottius variornatus избавились от набора из пероксисомы. Кроме того, они рискнули, к примеру, потерять белки HIF1A, PHD и VHL, сигнализирующие о наступлении гипоксии (нехватки кислорода), и клетка реагирует не на саму гипоксию, а на ее последствия. Так, системы, анализирующие количество энергии и аминокислот, у тихоходок в полном порядке.
И, наконец, третьим советом стал бы такой: найдите свою уникальность. Ученые обнаружили у Ramazzottius variornatus известные у других тихоходок, но не встречающиеся более ни у кого белки, помогающие снизить влияние высоких температур и кодируемые генами семейств CAHS (13 генов) и SAHS (16 генов). С помощью зеленого флуоресцентного белка был найден располагающийся в области ядра клеток эмбрионов тихоходок белок, специфично связывающийся с ДНК и очевидно имеющий прямое отношение к ее защите от повреждений (поскольку в клетках эмбрионов ДНК интенсивно копируется). Белок был назван Damage suppressor (Dsup), и именно его, возможно, больше всего не хватает человеческой клетке для приобретения «сверхспособностей».
Кафку сделать былью
Предыдущий раздел пропитан гораздо меньшим количеством иронии, чем кажется на первый взгляд. Японские биологи действительно решили помочь людям последовать по крайней мере одному важному совету тихоходок и вывели клеточную линию человека с геном белка Dsup.
В отличие от своих членистоногих «двоюродных братьев», супергероя Человека-паука и духовно возвысившегося в результате «заточения» в теле жука героя Кафки, внешне такие «сверхклетки человека» с белком тихоходки не выглядели столь эффектно. На вид они ничем не отличались от обычных, однако прекрасно себя чувствовали после четырех дней нахождения под рентгеновскими лучами, которые почти полностью уничтожили клетки без этого гена. Более того, они продолжали размножаться, на 8-12-й день почти не уступая в росте клеткам контроля, которые облучению не подвергались. Исследователи установили, что способность Dsup защищать ДНК напрямую зависит от его возможностью с ней связаться, в результате чего ему удается предотвратить одноцепочечные разрывы молекулы. Также удалось выяснить, что этот белок не связан с регулированием клеточного цикла (который влияет на чувствительность клеток млекопитающих к радиации).
По словам ученых, их работа помогла обнаружить целую сокровищницу генов тихоходок, помогающих увеличить устойчивость организмов к экстремальным условиям среды и найти новые механизмы защиты ДНК. В любом случае, мы уже представляем себе, каким мог бы стать новый герой фильмов от Marvel.
Автор: Екатерина Мищенко