Сколько генов нужно клеткам, чтобы организм нормально существовал?
Амбициозное исследование дрожжей показывает, что жизнь клеток зависит от сильно переплетающихся эффектов многих генов, некоторые из которых могут быть удалены без последствий. Это исследование очень актуально на фоне множественных попыток по замене определенных генов с целью получения ГМО-организмов с улучшенными характеристиками.
Выбирая по три гена за раз, ученые кропотливо изучали сеть генетических взаимодействий, которые сохраняют жизнь клетке. Исследователи давно идентифицировали основные гены, без которых клетки дрожжей не могут жить, но новое исследование, которое недавно появилось в журнале «Science», показывает, что взгляд на них дает искаженную картину того, какие гены важны: многие гены, которые несущественны сами по себе, становятся решающими по мере исчезновения других. Результат означает, что истинное минимальное количество генов у дрожжей а, следовательно, и у других сложных организмов, необходимых для выживания и процветания может быть удивительно большим.
Около 20 лет назад Чарльз Бун и Бренда Эндрюс решили сделать что-то немного сумасшедшее. Биологи, оба профессора из Торонтского университета, решили последовательно уничтожать или нарушать работу генов у дрожжей, по два за раз, чтобы понять, как гены функционально связаны друг с другом. Только около 1000 из 6000 генов в геноме дрожжей, или примерно 17 процентов, считаются жизненно важными: если один из них отсутствует, организм умирает. Но казалось, что многие другие гены чье отсутствие было недостаточным для гибели, могли в тандеме убить дрожжи. Эти гены, вероятно, будут выполнять ту же работу в клетке или участвовать в одном и том же процессе, рассуждали биологи, потеря их означала, что дрожжи больше не могут компенсировать их отсутствие.
Бун и Эндрюс поняли, что они могут использовать эту идею, чтобы понять, что делают различные гены. Они и их сотрудники намеренно пошли на то, что сначала создали более 20 миллионов штаммов дрожжей, у которых отсутствовали два гена (далее — двойные мутанты) — почти все уникальные комбинации генов среди этих 6000 генов. Затем исследователи оценили, насколько был здоров каждый штамм и как могут быть связаны недостающие гены. Результаты позволили исследователям набросать карту теневой сети взаимодействий, которая лежат в основе жизни. Два года назад они сообщили о подробностях этой карты и обнаружили, что она уже позволила исследователям обнаружить ранее неизвестные функции генов.
Однако на своем пути они поняли, что удивительное количество генов в эксперименте не имеют каких-либо очевидных контактов с другими. «Возможно, в некоторых случаях удаление двух генов недостаточно», сказал Эндрюс, размышляя о своих мыслях в то время. Елена Кузьмина, лабораторная аспирантка, которая теперь является постдоком в Университете Макгилла, решила сделать еще один шаг, выбить третий ген.
В статье, опубликованной недавно в «Science», Кузьмина, Бун, Эндрюс и их коллеги из Торонтского университета, Миннесотского университете и в других местах, сообщают, что их усилия привели к более глубокой и подробной карте внутренней работы клетки. В отличие от экспериментов с двойными мутантами, исследователи не делали всевозможных комбинаций мутаций — существует около 36 миллиардов различных способов выбить три гена у дрожжей. Вместо этого они посмотрели на пары генов, которые они уже выбили, и оценили их взаимодействия в соответствии с эффектом. Они взяли несколько пар, влияние которых варьировалось от того, что клетки становились немного медленнее, и один за другим сравнивали их с другими удаленными генами, генерируя около 200 000 тройных мутантных штаммов. Они следили за тем, как быстро росли колонии мутантных дрожжей и заносили их в базу данных.
Когда ученые построили свою новую карту, стало ясно несколько вещей. Например, примерно в двух третях тройных мутантов, которые показали дополнительное генетическое взаимодействие с тремя выбитыми генами, как правило, усиливались проблемы, с которыми сталкивался двойной мутант. Эндрюс сказала, что возможно пара генов уже демонстрируют некоторое взаимодействие друг с другом, но «это было гораздо более серьезным, когда мы удалили третий ген». Бун считает, что скорее всего потеря третьего гена наносит критический удар по и без того неустойчивой системе.
Однако эти взаимодействия были совершенно новыми. И они, как правило, включают в себя более разрозненные процессы. У двойных мутантов функциональные связи между генами были жесткими: ген, участвующий в репарации ДНК, обычно имел связи с другими генами, которые также участвовали в репарации ДНК, а гены, которые взаимодействовали друг с другом, обычно взаимодействовали с одними и теми же другими генами. Однако с тройными мутантами далеко несвязанные задачи начали связываться друг с другом. Созвездие связанных задач клеток смещалось и тонко трансформировалось.
«Возможно, то, что мы отбираем здесь это некоторые функциональные связи в камере, которые мы не смогли увидеть раньше», сказала Эндрюс.
Например, один набор новых соединений был связан с генами, задействованными в транспортировке белков и генов, участвующих в репарации ДНК. На первый взгляд трудно понять, что связывает эти две функции. И на самом деле у исследователей до сих пор нет механического объяснения. Но они уверены, что есть один. «Наша немедленная реакция была: «Ну, это случайность»», сказала Эндрюс. «Но в ходе этого проекта мы узнали, что это не случайность. Мы просто не понимаем, какая тут связь».
Их группа только начала изучать эту связь между переносом белка и восстановлением ДНК, но по словам Эндрюс, если вы внимательно посмотрите на эти дрожжевые клетки, они на самом деле демонстрируют множественные повреждения ДНК. Карта связей помогла привлечь их внимание: «Раньше не было причин смотреть на это», сказала она.
У дрожжевых генетиков никогда не было убеждения, что важны только основные гены. Но новая статья подкрепляет мысль о том, что упрощенные интерпретации только того, что важно в геноме дрожжей, скорее всего, будут ошибочными. Реальность более сложная, говорят Бун и Эндрюс. Они предполагают, что при учете двойных и тройных контактов генов, дрожжевые клетки действительно не могут обойтись без прыжков. Как отмечается в их статье, минимальный геном, необходимый для дрожжевых клеток, чтобы избежать существенного дефекта, «может приблизиться к полному набору генов, закодированных в геноме».
Действительно, экспериментальные усилия по разработке минимального генома микроорганизма с целью определения наименьшего числа генов, при которых клетка должна была бы выжить, как шаг к созданию искусственных геномов, показали, что на удивление трудно удалить гены и оставить организм в нормальном состоянии.
В 2016 году исследователи из Института Дж. Крейга Вентера (JCVI) сообщили о создании искусственного генома для бактерии Mycoplasma genitalium, в которой из ее собственных 525 генов осталось до 473. Но отрицательные эффекты от удаления, казалось бы несущественных генов действительно были серьезными по словам Клайда Хатчисона III, биохимика и выдающегося профессора JCVI, участвующего в работе. «Это была основная проблема для выбора набора генов для создания минимального генома», сказал он.
Джоэл Бадер, системный биолог из Университета Джона Хопкинса, говорит, что нынешняя работа предполагает интригующую связь с идеей человеческой генетики, что широкий спектр генов может тонко влиять на черты, с которыми мы обычно не связываем их.
Тем не менее, исследователи говорят, что они надеются, что по мере развития технологии редактирования генов человеческих клеток подобные эксперименты могут помочь узнать больше о работе клеток и о том, как гены в геноме связаны друг с другом. «Я думаю, что существует множество основных правил биологии генома, которые мы не обнаружили», сказала Эндрюс.
Исследование: science.sciencemag.org/content/360/6386/eaao1729
