Расшифрован геном аксолотля

Международная команда исследователей под руководством учёных из Вены, Дрездена и Гейдельберга расшифровала полную генетическую информацию мексиканского саламандры аксолотля. Геном аксолотля, являющийся крупнейшим из когда-либо секвенированных, станет мощным инструментом для изучения молекулярных основ регенерации конечностей и других тканей.

Саламандры давно служат ценными биологическими моделями для исследований в области развития, регенерации и эволюции. В частности, мексиканский аксолотль Ambystoma mexicanum привлекает особое внимание благодаря своей поразительной способности к регенерации. Если это склонное к каннибализму животное теряет конечность, оно отрастит идеальную замену в течение нескольких недель, с костями, мышцами и нервами на нужных местах. Ещё более удивительно, что аксолотль может восстанавливать повреждённый спинной мозг и ткань сетчатки. Эти качества и относительная простота разведения сделали его излюбленной биологической моделью, культивируемой в лаборатории более 150 лет.

Изучение эволюции регенерации

Одна из крупнейших колоний аксолотлей содержится командой Элли Танаки, ныне работающей в Исследовательском институте молекулярной патологии (IMP) в Вене. Группа Танаки, базировавшаяся до 2016 года в DFG-Центре регенеративных терапий Дрездена при Техническом университете Дрездена и Институте молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (MPI-CBG), изучает молекулярную клеточную биологию регенерации конечностей и спинного мозга и эволюцию этих механизмов. За годы работы команда разработала обширный молекулярный инструментарий для аксолотля, включая данные полного транскриптома, которые раскрывают последовательности, кодирующие белки, в геноме животного. Используя эти инструменты, Элли Танака и её коллеги смогли идентифицировать клетки, инициирующие регенерацию, и описать молекулярные пути, контролирующие этот процесс.

Для полного понимания регенерации и выяснения причин её ограниченности у большинства видов учёным необходимы данные генома для изучения регуляции и эволюции генов. До сих пор полная сборка генома аксолотля была невозможна из-за его огромного размера: 32 миллиарда пар оснований, что более чем в десять раз превышает размер генома человека. Процесс сборки последовательности с использованием существующих инструментов был затруднён из-за огромного количества крупных повторяющихся последовательностей в этом геноме.

Сложность секвенирования крупнейшего генома

Международная команда исследователей под руководством Элли Танаки (IMP), Михаэля Хиллера и Джина Майерса (оба — MPI-CBG) и Зигфрида Шлойснига из Гейдельбергского института теоретических исследований (HITS) секвенировала, собрала, аннотировала и проанализировала полный геном аксолотля — крупнейший из когда-либо расшифрованных геномов. Используя платформу PacBio, технологию секвенирования, которая производит длинные чтения для охвата больших повторяющихся регионов, в DRESDEN Concept Genome Center (совместном проекте MPI-CBG и TU Dresden) было секвенировано в общей сложности 72 435 954 рида. Для сборки генома из этих миллионов фрагментов использовались программные системы, разработанные при участии Джина Майерса и Зигфрида Шлойснига с его командой в Гейдельберге. Мощные секвенаторы, сделавшие этот проект возможным, были профинансированы Фондом Клауса Чиры и Обществом Макса Планка.

Анализ собранного генома выявил несколько особенностей, указывающих на уникальность аксолотля: исследователи обнаружили, что несколько генов, существующих только у аксолотля и других видов амфибий, экспрессируются в регенерирующей ткани конечности. Наиболее поразительно, что важный ген развития PAX3 полностью отсутствует в геноме, а его функции взял на себя другой ген — PAX7. Оба гена играют ключевую роль в развитии мышц и нервной системы.

«Теперь у нас в руках карта, чтобы исследовать, как могут заново отрастать такие сложные структуры, как ноги», — говорит Сергей Новошилов, соавтор исследования и постдок в IMP. «Это переломный момент для научного сообщества, работающего с аксолотлем, настоящая веха в исследовательском приключении, начавшемся более 150 лет назад».

Последовательность генома аксолотля, ставшая теперь общедоступной, представляет собой мощный ресурс для исследователей по всему миру, изучающих регенерацию тканей.