Сканирующая система в сперматозоидах может контролировать скорость эволюции человека
Созревающие сперматозоиды активируют большинство своих генов не для выполнения генетических инструкций, как обычно, а для репарации (починки) ДНК перед её передачей следующему поколению.
Исследование, проведённое учёными NYU Grossman School of Medicine и опубликованное 23 января в Cell, раскрывает биологическую загадку: сперматозоиды человека активируют подавляющее большинство генов (90%), что также наблюдается у мышей, птиц и даже плодовых мушек. Клетки большинства органов экспрессируют около 60% своего генетического кода.
"Теперь кажется очевидным, что сперматозоиды активируют так много генов в процессе развития, чтобы запустить процесс репарации ДНК и защитить целостность информации, которая будет унаследована", — говорит старший автор Итаи Янай, директор Института вычислительной медицины.
Исследование также показало, что такая репарация в сперматозоидах менее активна в генах, которые транскрибируются реже. Это поддерживает теорию, что эволюция использует частоту транскрипции как рычаг: увеличивает её для сохранения ДНК в одних генах и снижает, чтобы позволить изменениям в других, если это способствует выживанию.
Примером генов, не активируемых, не репарируемых и свободных для накопления изменений в сперматозоидах, являются гены, связанные с иммунитетом, которые должны постоянно эволюционировать.
Методология исследования
Авторы проанализировали паттерны экспрессии генов во время созревания сперматозоидов с разрешением на уровне одной клетки:
- Использовали образцы ткани яичек человека.
- Применили микрофлюидику для изоляции отдельных клеток.
- Использовали ферменты для маркировки транскрибированных фрагментов генетического материала каждого сперматозоида уникальным штрихкодом.
- Сопоставили полученные данные с известными вариациями ДНК в популяционных базах данных.
Ключевые результаты
- Гены, активированные даже несколько раз во время развития сперматозоидов, содержали на 15–20% меньше ошибок в коде ДНК по сравнению с неэкспрессируемыми генами.
- Эта разница объясняется транскрипционно-связанной репарацией (TCR) — процессом замены ошибочных участков ДНК непосредственно перед транскрипцией.
- Сперматозоиды применяют TCR к большему числу генов, чем обычные клетки, но затем останавливают экспрессию до синтеза белков.
Будущие направления и значение
- Подтверждение, происходят ли генетические изменения в сперматозоидах чаще в генах, не экспрессируемых во время их созревания. Это может пролить свет на причины многих генетических заболеваний, связанных с изменениями в сперме стареющих отцов.
- Определение, используют ли клетки мозга, которые также экспрессируют большой процент генов, аналогичное "транскрипционное сканирование", и приводит ли его сбой с возрастом к повышенному риску нейродегенеративных заболеваний.
- Эмбриональные стволовые клетки также демонстрируют сигнатуру "высокой транскрипции — низкой мутации", что может указывать на наличие такого сканирования во время развития.
"Что, если другие механизмы влияют на то, какие типы генов более подвержены изменениям ещё до того, как на них сможет подействовать естественный отбор? Такое смещение в яичках имело бы драматический эффект, но только в эволюционных масштабах времени, скажем, миллионов лет", — задаётся вопросом первый автор Бо Ся.