Частично «очеловеченные» дрожжи демонстрируют прочное наследие общего предка
Несмотря на миллиард лет эволюции, разделяющей человека и пекарские дрожжи, сотни генов от общего предка обоих видов сохранились в них почти неизменными. Биологи из Техасского университета в Остине создали жизнеспособные штаммы генетически модифицированных дрожжей, используя человеческие гены, и обнаружили, что определенные группы генов удивительно стабильны в эволюционном масштабе времени.
Исследование, опубликованное 22 мая в журнале Science, открывает путь к использованию «очеловеченных» дрожжей для лучшего понимания генетических нарушений и скрининга лекарств для лечения заболеваний.
Хотя дрожжи состоят из одной клетки, а человек — из триллионов клеток, организованных в сложные системы, у нас есть тысячи схожих генов. Из них около 450 критически важны для выживания дрожжей. Исследователи удалили дрожжевую версию каждого такого гена и заменили её человеческой, наблюдая, выживут ли дрожжи. Создание сотен новых штаммов дрожжей, каждый с одним человеческим геном, привело к появлению множества инженерных штаммов — почти половина из них смогла выжить и размножаться после замены их обычных генов на человеческие.
«Клетки используют общий набор деталей, и эти детали, даже после миллиарда лет независимой эволюции, взаимозаменяемы», — сказал Эдвард Маркотт, профессор кафедры молекулярных бионаук и содиректор Центра системной и синтетической биологии (CSSB).
Работа имеет приложения для здоровья человека: некоторые генетические заболевания, вызванные мутациями, можно будет тестировать новыми способами. Будущие исследования могут сравнивать разные штаммы «очеловеченных» дрожжей, каждый с немного отличающимися версиями одного и того же человеческого гена, чтобы лучше понять, как определенные мутации влияют на здоровье человека. Также можно вставлять в дрожжи точные версии человеческой генной мутации, а затем подвергать дрожжи воздействию разных лекарств для тестирования новых терапий.
«Мы могли бы выяснить, подействует ли одно из стандартных средств лечения на вашу конкретную версию гена или, возможно, другое лекарство будет еще лучше», — говорит Клаус Вильке, профессор кафедры интегративной биологии и соавтор статьи.
Маркотт предполагает, что между человеком и дрожжами может существовать еще около 1000 пар взаимозаменяемых генов. Вместе с примерно 200 уже идентифицированными взаимозаменяемыми генами они могут быть полезны в поиске лекарств для лечения множества человеческих генетических заболеваний.
Подобные эксперименты по замене генов между человеком и дрожжами проводились и раньше, но для одиночных генов. Это первое масштабное исследование, в котором заменены сотни пар генов. Большое количество тестов позволило члену команды Джону Лорану, аспиранту CSSB и соавтору статьи, искать основные правила, определяющие взаимозаменяемость генов.
Удивительно, но лучшим предиктором успешной замены генов оказалась не схожесть их генетических последовательностей, а то, к каким модулям они принадлежат. Модуль — это группа генов, которые работают вместе для выполнения полезной функции, например, производства холестерина для построения клеточных стенок. Все гены из одного модуля, как правило, либо были взаимозаменяемы между человеком и дрожжами, либо нет.
«Эта работа, по сути, показывает, что вы можете взять топливную форсунку от трактора и заменить ею форсунку в вашей Toyota, и она все равно будет работать, более или менее, потому что они обе — топливные форсунки», — сказал Маркотт.
«Захватывающая часть в том, что теперь мы можем использовать эту информацию, чтобы заменять целые системы, включающие десятки генов одновременно, и спрашивать, работает ли эта система так же хорошо, как естественная система в дрожжах», — говорит Аашик Качру, постдокторант CSSB и соавтор статьи. — «Это будет увлекательно, потому что теперь мы будем смотреть не на один ген, а на 30 разных генов человека в простой клетке».