Дрожжи растут, но не всегда размножаются, когда их 16 хромосом сливаются в две

Исследование, опубликованное в Nature, показало, что пекарские дрожжи выживают и растут после радикальной реорганизации не их генов, а суперструктур хромосом, которые содержат, защищают и контролируют доступ к их ДНК.

Группа под руководством Медицинской школы Нью-Йоркского университета поэтапно сливала хромосомы, пока 6000 генов одноклеточного гриба Saccharomyces cerevisiae не оказались заключены в две массивные хромосомы вместо естественных 16 в каждом клеточном ядре. Исследователи также обнаружили, что представители этого вида дрожжей больше не могли производить жизнеспособные половые клетки, если разница в количестве хромосом, унаследованных от каждого из «родителей», становилась слишком большой.

Создание такой «репродуктивной изоляции» между штаммами дрожжей необходимо для реализации некоторых потенциальных будущих применений дрожжей — например, переработки сельскохозяйственных отходов в топливо или борьбы с голодом за счет добавок в корм для скота. Подобные проекты потребуют создания штаммов, которые можно выпускать в окружающую среду, но которые не способны скрещиваться с природными дрожжами, чтобы не нарушать экосистемы.

В более отдаленной перспективе лучшее понимание того, как хромосомы копируются и распределяются в половых клетках (спорах у дрожжей; яйцеклетках и сперматозоидах у людей), может подсказать способы противодействия ошибкам, из-за которых в человеческих клетках передаются слишком короткие, слишком длинные, отсутствующие или лишние хромосомы. Такие события — основная причина выкидышей и умственной отсталости, включая синдром Дауна, при котором эмбрион получает дополнительную копию 21-й хромосомы человека. Хромосомы дрожжей достаточно похожи на человеческие, чтобы служить хорошей моделью для изучения.

«Мы обнаружили, что дрожжи могут выдерживать радикальные изменения числа хромосом, не нарушая работу генов в них, что является дополнительным доказательством их устойчивости как инженерной платформы», — говорит старший автор исследования Джеф Бёке, директор Института системной генетики в NYU Langone Health. «Помимо приложений, эта работа проливает свет на дикий путь случайных дупликаций и слияний хромосом в ходе эволюции, который привел к тому, что у одного вида муравьев осталась одна пара хромосом, у человека — 23 пары, а у одного вида бабочек — 220. Мы изучаем, как один вид становится двумя».

Шестнадцать в две

Результаты исследования касаются хромосом — крупных белковых комплексов, которые, получив правильные сигналы, раскручиваются, чтобы обнажить для считывания клеточным аппаратом именно те фрагменты инструкций ДНК, которые необходимы для выполнения задач в каждом типе клеток. Все хромосомы раскручиваются, когда приходит время копировать весь генетический код перед делением клетки, когда одна клетка становится двумя. Такие деления либо создают больше генетически идентичных клеток в процессе роста (митоз), либо дальше делят хромосомы родительской клетки в ходе раундов (мейоз), которые дают половые клетки, способные затем объединяться с другими половыми клетками для создания новых организмов.

По мере подготовки клеток к делению, при котором каждая результирующая клетка получает свою долю ДНК, вновь скопированные хромосомы соединяются особыми участками ДНК, называемыми центромерами, образуя пары с четырьмя «плечами» хромосом. Каждое плечо защищено участками ДНК, называемыми теломерами, которые защищают от ферментов, которые в противном случае повредили бы открытые концы.

Авторы текущего исследования использовали известную технологию редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы вырезать 14 центромер и 28 теломер из полного набора хромосом дрожжей (генома). Без этих теломер или центромер оставшиеся цепи ДНК сливались поэтапно, пока не осталось только две, каждая из которых содержала примерно половину генетического материала вида S. cerevisiae.

Интересно, что команде не удалось создать жизнеспособный штамм дрожжей всего с одной парой хромосом, содержащей все его гены. Авторы полагают, что это может быть связано с тем, что два больших плеча хромосом в новом штамме, длиной около 5,9 миллионов молекулярных «букв» ДНК (пар оснований) каждое, приблизились к максимальному пределу длины. Если плечо длиннее, его конец, скорее всего, будет обрезан при делении клетки.

Примечательно, что исследователи обнаружили, что дрожжи с хромосомами размером до четырех раз больше максимального размера, наблюдаемого в природе, выживали, делились и размножались (росли) посредством митоза примерно с той же скоростью, что и природные штаммы.

Однако, когда команда взяла потомство от скрещивания штаммов дрожжей с разным числом хромосом, а затем индуцировала у этого потомства образование половых клеток посредством мейоза, способность производить жизнеспособные споры в этом следующем поколении падала по мере увеличения разницы в числе хромосом их родителей. Команда предполагает, что это происходит потому, что хромосомы в таких половых клетках больше не выстраиваются должным образом для правильного разделения ДНК во время клеточного деления, в результате чего некоторые клетки получают летальные аномалии дозы ДНК.

Эксперименты показали, что разница в числе хромосом в восемь (например, после восьми слияний) была достаточной, чтобы инженерный штамм не мог скрещиваться со своим предковым видом, достигая репродуктивной изоляции, столь важной для предполагаемых применений. Когда два представителя вида больше не могут скрещиваться, они больше не могут смешивать ДНК и накапливать разные генетические изменения с течением времени. Это начинает процесс их превращения в разные виды, говорит Бёке.