«Ламповые щетки» наработали более 13 тысяч вариантов РНК для развития зародыша курицы
Биологи определили, что в женских половых клетках курицы — ооцитах — активно работает около 13 тысяч генов, расположенных на хромосомах типа ламповых щеток. Такие хромосомы похожи на щетку тем, что имеют похожие на щетинки петли, отходящие от оси. Именно в петлях гены считываются наиболее активно. Это приводит к тому, что в ооцитах накапливается большое количество разнообразных молекул РНК, которые наследуются зародышем и определяют его развитие. Полученные данные позволяют лучше понять процесс развития эмбрионов птиц, а также земноводных и рептилий, в половых клетках которых также есть хромосомы типа ламповых щеток. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.
При развитии любого зародыша важную роль играют гены, которые он получает от материнской половой клетки — ооцита. При этом исследования показывают, что у всех позвоночных, кроме млекопитающих (то есть у птиц, земноводных и рептилий), в ядре ооцита гены активно считываются. Это приводит к накоплению большого количества молекул РНК — продуктов считывания ДНК генов, в дальнейшем нужных для синтеза белков. При этом хромосомы — структуры, в которые укладываются молекулы ДНК, — меняют свою форму, становясь похожими на ершики или щетки для чистки керосиновых ламп. Такая форма очень удобна для активного считывания генов, находящихся на петлях ДНК (тех участках, которые можно сравнить со щетинками ершика).
Однако до сих пор оставалось не до конца изученным, какие именно гены активнее всего работают в процессе созревания ооцита. Это, в свою очередь, не позволяло определить, какие материнские РНК играют наибольшую роль на ранних этапах развития зародышей у птиц, земноводных и рептилий.
Биологи из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Сколковского института науки и технологий (Москва) изучили гены, считываемые с хромосом типа ламповых щеток в ооцитах курицы. Ооциты курицы авторы выбрали потому, что они имеют очень крупные ядра, которые легко выделить и исследовать. Кроме того, геном — полный набор генов — курицы полностью расшифрован, а функции каждой генетической последовательности известны.
Авторы извлекли ооциты из яичников курицы и выделили из них РНК, находящуюся как в ядре, так и в цитоплазме (основном жидком содержимом) клетки. Затем последовательность всех молекул расшифровали и сравнили с общедоступными генетическими базами данных.
Всего в цитоплазме ооцита авторы обнаружили 12 312 различных РНК, а в ядре — 13 185. Большинство из них оказались общими для ядра и цитоплазмы. Сопоставление РНК из ядра и цитоплазмы ооцита с генами в геноме курицы, а также эксперимент по их локализации на хромосомах (гибридизации) показали, что РНК действительно считались с боковых петель «ламповых щеток». При этом активное считывание РНК происходило с длинных петель хромосом, тогда как в хромомерах — местах, где петли сходятся вместе (условно ось ламповой щетки), — гены оказались неактивны или вовсе отсутствовали.
Поскольку каждая хромосома имеет индивидуальную структуру, в частности длину петель и размер хромомеров, количество и расположение активно считываемых генов на них различалось. Так, например, W-хромосома — аналог Y-хромосомы у человека, отвечающей за мужской пол, — содержала всего несколько небольших петель, соответствующих генам, поэтому с нее считывалось мало молекул РНК.
Чтобы определить, какие из обнаруженных генов участвуют в развитии куриного зародыша, авторы сопоставили набор РНК из ооцита с набором этих же молекул из клеток эмбриона птицы на ранних стадиях развития. Оказалось, что более 85% РНК из ядра ооцита обнаруживается в клетках зародыша, геном которого неактивен на ранних стадиях развития, что говорит о наследовании молекул. Анализ показал, что большинство этих последовательностей кодирует белки, которые отвечают за важные для развития эмбриона функции: контролируют синтез белков, работу митохондрий, восстановление ДНК после повреждений, а также удвоение ДНК, нужное для деления клеток.
«Наше исследование показало, что огромное количество РНК, считываемых с хромосом типа ламповых щеток еще в половых клетках курицы, наследуется эмбрионом и используется на ранних стадиях его развития. При этом такие молекулы связаны с важнейшими клеточными процессами, без которых невозможно нормальное развитие зародыша. В дальнейшем мы планируем детально изучить, как формируются хромомеры — участки, обедненные генами, — в хромосомах типа ламповых щеток и что определяет их границы. Это позволит понять, как трехмерная укладка генома влияет на активность генов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алла Красикова, кандидат биологических наук, доцент кафедры цитологии и гистологии, руководитель лаборатории структуры и динамики клеточного ядра СПбГУ.