Перспективы изучения хромосом
Обновлено: 17.06.2024
Международная группа ученых провела фундаментальное исследование пространственной организации генома в половых и соматических клетках птиц. Полученные данные изменили представление о структуре доменов хроматина в хромосомах типа ламповых щеток и открыли перспективы для дальнейших исследований. Инициатором и руководителем работы стала доцент кафедры цитологии и гистологии СПбГУ Алла Красикова.
Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Genetics.
Архитектура генома является одной из наиболее актуальных областей исследований в современной молекулярной генетике. Исследователи хотят выяснить, как происходит компактизация молекул ДНК в ядрах клеток и, главное, как эта сложная и многоуровневая упаковка влияет на процессы «считывания» генетической информации. Как известно, хроматин, состоящий из ДНК, белков и РНК, упакован в ядрах клеток очень плотно — например, у человека два метра геномной ДНК сжимаются в пространстве ядра соматической клетки, величина которого достигает всего десяти микрометров. Напомним, что один микрометр (мкм) равен одной миллионной доле метра. В свою очередь, в ядре клетки петли хроматина организованы в нанодомены, в некоторых типах клеток получившие название хромомеры.
«Мы используем модельный объект, который позволяет изучать доменную организацию хроматина с очень высоким разрешением с помощью более наглядных цитологических подходов. И этот объект — гигантские хромосомы типа ламповых щеток, характерные для растущих ооцитов — будущих яйцеклеток. Такие хромосомы есть у всех позвоночных, кроме млекопитающих. В данном случае они извлекались из яичника сельскохозяйственного вида птиц — домашней курицы», — отметила Алла Красикова.
Исследование было поддержано грантом президента Российской Федерации (проект МК-1630.2017.4), грантом Российского научного фонда (проект 19-74-20075), а также партнерской программой между Йенским университетом имени Фридриха Шиллера и Санкт-Петербургским государственным университетом.
По словам исследователя, возможной альтернативной для изучения доменной организации хроматина без применения сложных методов оптической микроскопии сверхвысокого разрешения являются политенные хромосомы слюнных желез мушки дрозофилы, однако выбранный ими объект относится к позвоночным, а значит, ближе к человеку.
Основой исследования стал метод, разработанный учеными Санкт-Петербургского государственного университета совместно с лабораторией Томаса Лира в Йенском университете имени Фридриха Шиллера (Германия). Он заключается в механической микродиссекции отдельных доменов хроматина в гигантских хромосомах типа ламповых щеток с помощью стеклянных игл, микроманипулятора и микроскопа. С его помощью ученые смогли отделить небольшие участки геномной ДНК, упакованной в хромомер — структурную единицу хромосомы, различимую на уровне микроскопии.
Подготовку диссектированных фрагментов ДНК к секвенированию проводила младший научный сотрудник лаборатории структуры и динамики клеточного ядра и первый автор статьи Анна Злотина. Секвенирование полученных образцов, в свою очередь, было выполнено специалистом по полимеразной цепной реакции и секвенированию ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Развитие молекулярных и клеточных технологий» Ольгой Павловой. В результате удалось расшифровать последовательности ДНК, входящие в состав хромомеров.
Основной целью исследования стало определение генетического состава доменов хроматина, которые формируют хромосомы.
Доцент кафедры цитологии и гистологии СПбГУ Алла Красикова
«Мы показали, что хроматин хромосом типа ламповых щеток разделен на два типа доменов. Одни из них обогащены генами, но обеднены повторяющимися последовательностями ДНК, другие, наоборот, обогащены повторами и обеднены генами. Есть и третий тип хромомеров, комбинирующих как обогащенные, так и обедненные генами районы», — рассказала Алла Красикова.
В прошлом участки генома, обогащенные повторяющимися последовательностями ДНК и не содержащие генов, считались «мусорной», или «эгоистичной», ДНК. Наибольший интерес для исследователей представляли гены, кодирующие белки. При этом значительная часть генома, около 85 %, не выполняет этой функции. О том, что их напрасно называют «мусорными», выяснилось позже. Теперь известно, что они играют значительную роль в самых разных механизмах, среди которых дифференцировка клеток, защита от старения и регуляция работы генома.
Также ученые сравнили хромомеры хромосом типа ламповых щеток с доменами хроматина соматических клеток, описанных в прошлом исследовании. Цитологи надеялись, что их состав окажется схожим — из-за больших размеров хромосом типа ламповых щеток они стали бы отличным объектом для визуализации и исследования организации доменов хроматина на цитологическом уровне. Например, эти домены можно было бы увидеть в микроскоп, а не просто предсказать их структуру с помощью биоинформатических подходов.
«В итоге мы не нашли каких-либо строгих соответствий. Некоторые отдельные хромомеры совпадают, но в большинстве случаев картина обратная. Однако это открывает перед нами новые интересные перспективы. Считалось, что домены хроматина устроены очень консервативно и нет большой разницы между ними в разных типах клеток — кожи, мышц и так далее. Теперь мы знаем, что они имеют совсем другую структуру в половых клетках самок птиц, и должны выяснить, чем это обусловлено. Также важно узнать, как это влияет, например, на развитие будущего эмбриона», — считает Алла Красикова.
Фундаментальный характер исследования делает его результаты полезными для функциональной геномики, цитогенетики и биологии развития. В дальнейшем совместно с коллегами из Новосибирска ученые планируют узнать, какие последовательности входят в домены хроматина в ооцитах с помощью методов 3D-геномики. Это позволит получить полное представление о трехмерной архитектуре генома в половых клетках на стадии хромосом типа ламповых щеток.
Итоги и перспективы цито- и генетического изучения «криптической» группы из семейства Lacertidae
Ключевые слова
живородящая ящерица Zootoca vivipara, кариотип, криптические таксоны, мейотические СК (синаптонемный комплекс) хромосомы, множественные половые хромосомы, формо-, подвидо- и видообразование
Поступила в редакцию 4 февраля 2020 г. · Принята в печать 18 февраля 2020 г. · Опубликована 24 марта 2020 г.
Kichigin I. and Trifonov V. 2013. Genomic structure and sex determination in Sguamate reptiles. Tsitologia, 55(4): 253–258. [In Russian].
King M. 1977. The evolution of sex chromosomes in lizards. In: Evolution and reproduction. Canberra: Australian Acad. Sci. 55–60.
Kupriyanova L. 1989. Cytogenetic evidence for genome interaction in hybrid lacertid lizards. Evolution and ecology of unisexual vertebrates. Bull. Albany, N.Y. State Mus., 400: 41–46.
Kupriyanova L. 2004. Cytogenetical approaches to the problem of form-formation and subspeciation in the complex Lacerta (Zootoca) vivipara (Lacertidae, Sauria). Tsitologia, 46(7): 649–658. [In Russian].
Kupriyanova L. 2013. Modern chromosomal and molecular investigations of the Eurasian species Zootoca vivipara (Lichtenstein, 1823) (Lacertidae): results and perstectives. P. 25–31. In: Modern herpetology: problems and ways of their solutions. Collection of papers of the First International Conference of the young herpetologists of Russia and neighboring countries (Saint-Petersburg, Russia, 25–27 November 2013). Zoological institute of RAS. Saint-Petersburg, 2013. 169. [In Russian].
Kupriyanova L. and Rudi E. 1990. Comparative karyological analysis of Lacerta vivipara (Lacertidae, Sauria) populations. Zoological Journal, 69: 93–101. [In Russian].
Kupriyanova L., Melashchenko O. and Alekseev P. 2007. Karyological investigations of populations of the lizard Zootoca vivipara (Juaquin, 1787) from the Baltic Sea Basin (western region of Russia). Tsitologia, 49(5): 601–609. [In Russian].
Kupriyanova L., Niskanen M. and Oksanen T. 2014. Karyotype dispersal of the common lizard Zootoca vivipara (Lichtenstein, 1823) in eastern and northeastern Fennoscandia. Memoranda Society Fauna Flora Fennica, 90: 83–90.
Mayer W., Böhme W., Tiedemann E. and Bischoff W. 2000. On oviparous populations of Zootova vivipara (Jacquin, 1787) in south-eastern Central Europe and their phylogenetic relationships to neighboring viviparous and south-west oviparous populations (Squamata: Sauria: Lacertidae). Herpetozoa, 13(1/2): 59–69.
Stegniy V.N. 2019. Genetics of saltational speciation and systemic mutations. Tomsk. Publishing House of Tomsk State University, 2019. 262 p. [In Russian].
Wright J. W. 1973. Evolution of the X1X2Y sex chromosome mechanism in the scincid lizard Scincella latterale (Say). Chromosoma, 43(1): 101–108.
Раскрывая тайны хромосом
Газета "Наука в Сибири" № 38 (2873) от 27 сентября 2012 г.
Начало первого осеннего месяца было отмечено значимым для научного сообщества событием: со 2 по 7 сентября в Новосибирске проходила Международная научная конференция «Хромосома-2012», подготовленная Сибирским отделением РАН, в частности Институтом молекулярной и клеточной биологии
Об этом — наш разговор с директором ИМКБ академиком И. Ф. Жимулёвым
Игорь Федорович, как вы пришли к проведению такой конференции, долгим ли был путь от идеи до реализации?
Надо сказать, что в России исследование хромосом (цитогенетика) всегда было на самом высоком уровне с 20-х годов прошлого века. Тогда их изучением занималась С. Л. Фролова, публикуя результаты в «Nature». Можно назвать и много других имён, да что там — в этой области пальма первенства во все времена принадлежала русским учёным. Несмотря на гонения, российская школа цитогенетики всегда была самой сильной и пользовалась уважением в мире. Американцы шутят — «не каждый русский — цитогенетик, но каждый цитогенетик — русский». Даже одно из ключевых понятий — кариотип, что означает набор хромосом — предложил в 1924 году советский генетик Г. И. Левицкий. А инициатором и идейным вдохновителем организации первой конференции подобного типа в 1968 году (тогда это был, скорее, научный семинар) стала А. А. Прокофьева-Бельговская — одна из создателей отечественной школы медицинской цитогенетики, известная своими исследованиями организации эукариотической хромосомы. Участниками тогда были многие специалисты в разных молекулярно-биологических областях. На протяжении ряда лет прошло несколько удачных конференций, которые сыграли огромную роль в возрождении всей советской генетики.
Однако с начала 90-х в силу известных причин они прекратились. И после почти двух десятилетий затишья мы совместно с д.б.н. А. С. Графодатским решили возобновить этот научный форум, который проводится теперь в память А. А. Прокофьевой-Бельговской. Первая возрождённая после длительного перерыва конференция прошла в 2009 году. Она следовала старым традициям объединения молекулярно-генетических, генетических и цитологических исследований; в программу были включены как геномные, так и чисто цитологические работы. Таким образом, только что завершившаяся конференция — вторая. Принято решение сделать её регулярной и проводить раз в два года — будет своего рода научное биеннале, как это делается в других областях, что очень полезно для наработки данных.
Насколько я понимаю, вы придаете данному событию большое значение. Почему конференция «Хромосома» так важна?
Для ответа на этот вопрос следует прежде всего обратиться к определению хромосом, понять, почему их необходимо изучать. Ведь что такое хромосома? Это специальная структура клетки, в которую укладывается геном, своего рода огромная фабрика, только в ней работают гены. А когда их надо поделить между двумя вновь образуемыми клетками, всю эту фабрику «складывают в чемодан», а потом его раскрывают и всё вытаскивают. Так вот, хромосома выглядит как этот самый чемодан. Причем в обычный чемодан ни один человек так не уложит свои вещи: в организме тысячи делений, и всегда в одном порядке. Порядок укладки хромосом фантастический, и никто не знает, как это происходит.
А масштаб! К примеру, от Академгородка до Бердска около пяти-шести километров. И нить такой длины надо уложить в структуру длиной в метр, да так, чтобы она не перепуталась. Должен существовать особый механизм. ДНК генома человека имеет как раз такую длину и укладывается в структуру в 5–6 тысяч раз компактнее. А потом уже подобная компактная структура переносится, причем если бы она порвалась, перепуталась, испортилась, то клетка бы погибла. Таким образом, хромосома — это структура, в которой гены расположены так, чтобы было удобно их активировать (а при клеточных делениях инактивировать), затем упаковать, раздать совершенно одинаковые копии в две нарождающиеся клетки, а потом всё повторить в другом направлении: распаковать и нужные гены заставить работать. Так что изучение хромосом — основа основ, у нас они даже на эмблеме института изображены.
На кого в основном была ориентирована «Хромосома-2012»? Много ли человек приняли участие в конференции, откуда они?
Я уже сказал, что исследование хромосом находилось в России на очень высоком уровне, поэтому, когда в 90-х открыли «железный занавес», оказалось, что наши учёные в этой области имеют на западе высокую «рыночную стоимость», и многие рванули туда. Так что эта область у нас понесла самые тяжёлые потери — состав только моей лаборатории три раза обновлялся, приходилось вновь и вновь готовить смену. И вот, чтобы восстановить уровень исследований, мы начали собирать людей. Я очень доволен тем, что было так много наших бывших соотечественников. Ведь конференции проводят в том числе и для того, чтобы посмотреть, куда движется наука, обменяться информацией, идеями, опытом на всех уровнях. Зарубежные гости, приехавшие из первоклассных лабораторий, приносят своё, мы — своё (если бы нам ещё их финансирование!), они делятся с нами, общаются с людьми. Это необходимо, нельзя разрывать отношения. Ну и, конечно, конференция — это учёба, особенно для молодых.
Что можете сказать по докладам? Были ли находки, открытия, особо интересные выступления?
Как я уже сказал, конференция посвящена изучению хромосом, исследованию функционирования геномов в структуре ДНК, в том числе и сравнительной геномике (от хромосом к геномам и обратно). Так что одна из обсуждаемых тематик — организация работы генома. Корифеи по этому направлению есть и у нас, и за рубежом. В Институте молекулярной и клеточной биологии — это д.б.н. А. С. Графодатский, который изучает разные типы хромосом, а среди зарубежных гостей — С. Д. О’Брайен.
Профессор Стивен О’Брайен — многолетний руководитель лаборатории разнообразия геномов в Национальном институте рака (Фредерик, США), основатель программы по секвенированию геномов 10 тысяч видов позвоночных, руководитель центра имени Феодосия Григорьевича Добржанского в Санкт-Петербурге, открытого в этом году на средства мегагранта в размере 150 млн рублей. В своем пленарном докладе он рассказал о путях развития сравнительной геномики и возможностях развития этого направления в России и прежде всего — в кооперации с ИМКБ СО РАН.
Дело в том, что объекты живой природы информативны в разной степени. Мы почти всю генетику построили на дрозофиле, объект оказался «разговорчивым», передал нам всю информацию. Млекопитающие же «разговорчивы» в разной степени. Предположим, существует какая-то болезнь, и ген, который её контролирует, оказался хорош у мыши, так что можно на ней это заболевание изучать, а потом применить к человеку. Те же онкологические заболевания, возникающие в результате нарушения глобальных геномных функций — если что-то нарушено, начинает развиваться болезнь. Всё это очень значимо с точки зрения организации генома: когда объектов исследования много, вы можете найти особые системы, которые можно применить к человеку.
На конференции были также представлены доклады других видных зарубежных гостей. Так, например, доклад профессора Аллы Лапидус (Раковый центр Фокс Чейза, Филадельфия, США), ранее принявшей участие в работах по секвенированию геномов более 400 видов, был посвящен особенностям и возможностям анализа геномов раковых клеток и развитию этого направления в различных странах мира. Профессор Роско Стэнион (Университет Флоренции, Италия) рассказал об особенностях эволюции хромосом и геномов гиббонов — наиболее древнего ответвления от основного ствола человекообразных обезьян. Время конференции было отмечено радостным событием — выходом в издательстве «Каргер» монографии под редакцией проф. Р. Стэниона и А. Графодатского «Evolutionary Dynamics of Mammalian Karyotypes». Профессор Томас Лир из Института генетики человека и антропологии (Йена, Германия) рассказал о необычных и загадочных элементах генома человека, микрохромосомах.
Как оцениваете проведенное мероприятие? Всё ли прошло удачно, какие планы на будущее?
Я считаю эту конференцию очень полезной, достойной продолжения. Мы увидели, что наша наука ещё жива, хотя понесла гигантские потери, что она хорошо развивается. Для обсуждения научных проблем приезжают учёные, а это, вероятно, означает, что в нашей области существует некая национальная элита.
СПАРИВАНИЕ ГОМЕОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ У ОТДАЛЕННЫХ АЛЛОГАПЛОИДНЫХ ГИБРИДОВ РОДА SOLANUM
Изучено спаривание хромосом в мейозе уникальных аллогаплоидных гибридов , полученных с ис пользованием методов клеточной и хромосомной инженерии . Использованы две комбинации гиб ридов : 1) между дигаплоидом культурного картофеля Solanum tuberosum ( АА - геном , 2 n = 2 x = 24) и дикорастущим видом S. е tuberosum ( ЕЕ , 2 n = 2 x = 24); 2) между культурным томатом S. lycopersicum (LL, 2 n = 2 x = 24) и S. etuberosum ( ЕЕ , 2 n = 2 x = 24). Хромосомоспецифичные BAC- клоны картофеля и пробы дифференциально меченой тотальной ДНК родительских видов позволили идентифицировать конъюгирующие хромосомы и их геномную принадлежность . У аллогаплоидов S. tuberosum с S. etuberosum геномного состава АЕ обнаружено до 7 межгеномных бивалентов на клетку ; хиазмы формируются в дистальном районе длинного плеча каждой хромосомы набора ; хиазмы в корот ком плече имеют хромосомы 3, 6, 11 и 12. Для андрогенных регенерантов соматических гибридов S. lycopersicum c S. etuberosum характерен в основном унивалентный мейоз ; редкие биваленты ( от 0 до 2 на клетку ) образованы гомеологами хромосом 4 и 6. Обсуждаются перспективы предложенного подхода , основанного на использовании методов соматической гибридизации и in vitro андрогенеза , для изучения спаривания гомеологичных хромосом и разработки стратегии интрогрессивной гибридизации отдаленных видов растений .
Ключевые слова
Об авторах
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова, Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
Россия
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова, Санкт-Петербург, Россия
Россия
Список литературы
1. Al-Kaff N., Knight E., Bertin I., Foote T., Hart N., Griffiths S., Moore G. Detailed dissection of the chromosomal region containing the Ph1 locus in wheat Triticum aestivum: with deletion mutants and expression profi ling // Annals Bot. 2007. V. 101. P. 1–10.
2. Bai Y., Lindhout P. Domestication and breeding of tomatoes: what have we gained and what can we gain in the future? // Annals Bot. 2007. V. 100. P. 1085–1094.
3. Contreras-M., Spooner D. Revision of Solanum section Etuberosum // Solanaceae IV: advances in biology and utilization / Eds M. Nee, D. Symon, P. Jessop. Royal Botanic Gardens, Kew, U.K, 1999. P. 227–245.
4. Davey M., Anthony P., Power J., Lowe C. Plant protoplasts: status and biotechnological perspectives // Biotechnol. Adv. 2005. V. 23. P. 131–171.
5. Doganlar S., Frary A., Daunay M., Lester R., Tanksley S. A comparative genetic linkage map of eggplant (Solanum melongena) and its implications for genome evolution in the Solanacea // Genetics. 2002. V. 161. P. 1697–1711.
6. Dong F., Novy R., Helgeson J., Jiang J. Cytological characterization of potato – Solanum etuberosum somatic hybrids and their backcross progenies by genomic in situ hybridization // Genome. 1999. V. 42. Nо. 5. P. 987–992.
7. Dvorak J., Deal K.R., Luo M.-C. Discovery and mapping of wheat Ph1 suppressors // Genetics. 2006. V. 174. P. 17–27.
8. Fang K., Zhang L., Lin J. A rapid, efficient method for the mass production of pollen protoplasts from Pinus bungeana and Picea wilsonii // Flora. 2006. V. 201. P. 74–80.
9. Feingold S., Lloyd J., Norero N., Bonierbale M., Lorenzen J. Mapping and characterization of new EST-derived microsatellites for potato (Solanum tuberosum L.) // Theor. Appl. Genet. 2005. V. 111. P. 456–466.
10. Gavrilenko T. Application of molecular cytogenetics in fundamental and applied research of potato (Review) // Genetics, Genomics and Breeding of Potato / Ed. J. Bradeen, C. Kole. Published by ‘Science Publishers’. 1st edition. USA, 2011. Chapter 9. P. 184–206.
11. Gavrilenko T., Barbakar N., Pavlov A. Somatic hybridization between Lycopersicon esculentum and non-tuberous Solanum species of the Etuberosa series // Plant Science. 1992. V. 86. P. 203–214.
12. Gavrilenko T., Pendinen G., Rokka V.-M., Antonova O., Thieme R. Intergenomic chromosome pairing in the allodiploid hybrids of Solanum etuberosum with tomato and potato: an assessment through GISH and BAC-FISH // The 11th Gatersleben Res. Conf. «Chromosome biology, Genome Evolution and Speciation». 2012. P. 115–116.
13. Gavrilenko T., Thieme R., Heimbach U., Thieme T. Genomic in situ hybridisation analysis of fertile somatic hybrids of Solanum etuberosum (+) dihaploid Solanum tuberosum and their backcrossing progenies: relationships of genome dosage with tuber development and resistance to potato virus Y // Euphytica. 2003. V. 131. P. 323–332.
14. Gavrilenko T., Thieme R., Rokka V.-M. Cytogenetic analysis of Lycopersicon esculentum (+) Solanum etuberosum somatic hybrids and their androgenic regenerants // Theor. Appl. Genet. 2001. V. 103. P. 231–239.
15. Griffiths S., Sharp R., Foote T.N., Bertin I., Wanous M., Reader S., Colas I., Moor G. Molecular characterization of Ph1 as a major chromosome pairing locus in polyploid wheat // Nature. 2006. V. 439. P. 749–752.
16. Hawkes J. G. Origins of cultivated potatoes and species relationships // Potato Genetics. UK: CAB Intern., 1994. P. 3–42.
17. Helgeson J., Hunt G., Haberlach G., Austin S. Sexual progeny of somatic hybrids between potato and Solanum brevidens: potential for use in breeding programs // Amer. J. Potato Res. 1993. V. 70. P. 437–452.
18. Iovene M., Wielgus S., Simon P., Buell C., Jiang J. Chromatin structure and physical mapping of chromosome 6 of potato and comparative analyses with tomato // Genetics. 2008. V. 180. P. 1307–1317.
19. Leitch A., Schwarzacher T., Jacson D., Leitch I. In situ Hybridization: a practical guide. Oxford, Microscopy Handbooks. 27. BIOS Sci. Publ., 1994. 118 p.
20. Lou Q., Iovene M., Spooner D., Buell C., Jiang J. Evolution of chromosome 6 of Solanum species revealed by comparative fl uorescence in situ hybridization mapping // Chromosoma. 2010. V. 119. P. 435–442.
21. McGrath J., Williams C., Haberlach G., Wielgus S., Uchytil T., Helgeson J. Introgression and stabilization of Erwinia tuber soft rot resistance into potato after somatic hybridization of Solanum tuberosum and S. brevidens // Amer. J. Potato Res. 2002. V. 79. P. 19–24.
22. Mikhailova E., Phillips D., Sosnikhina S., Lovtsyus A., Jones R., Jenkins G. Molecular assembly of meiotic proteins Asy1 and Zyp1 and pairing promiscuity in rye (Secale cereale L.) and its synaptic mutant sy10 // Genetics. 2006. V. 174. P. 1247–1258.
23. Milbourne D., Meyer R., Collins A.J., Ramsay L., Gerbhardt C., Waugh R. Isolation, characterization and mapping of simple sequence repeat loci in potato // Mol. General Genet. 1998. V. 259. P. 233–245.
24. Novy R., Nasruddin A., Ragsdale D., Radcliffe E. Genetic resistances to potato leafroll virus, potato virus Y and green peach aphid in progeny of Solanum etuberosum // Amer. J. Potato Res. 2002. V. 79. P. 9–18.
25. Oberhagemann P., Chatot-Balandras C., Bonnel E., Schäfer-Pregl R., Wegener D., Palomino C., Salamini F., Gebhardt C. A genetic analysis of quantitative resistance to late blight in potato: Towards marker assisted selection // Mol. Breeding. 1999. V. 5. P. 399–415.
26. Pendinen G., Gavrilenko T., Jiang J., Spooner D. Allopolyploid speciation of the tetraploid Mexican potato species revealed by genomic in situ hybridization // Genome. 2008. V. 51. P. 714–720.
27. Peralta I., Spooner D., Knapp S. The taxonomy of tomatoes: A revision of wild tomatoes (Solanum section Lycopersicon) and their outgroup relatives in sections Juglandifolium and Lycopersicoides // Syst. Bot. Monogr. 2008. V. 84. P. 1–186.
28. Perez F., Menendez A., Dehal P., Quiros C. Genomic structural differentiation in Solanum: comparative mapping of the A- and E-genomes // Theor. Appl. Genet. 1999. V. 98. P. 1183–1193.
29. Rokka V.-M., Pietilä L., Gavrilenko T., Tauriainen A., Larkka J. Utilization of haploid lines in the genetic improvement of cultivated potato (Solanum tuberosum spp. tuberosum) // Bio technological Approaches for Utilization of Gametic Cells / Ed. B. Bohanec. Bield, Slovenia, 2000. P. 105–110.
30. Ross H. Potato Breeding – problems and perspectives. Berlin: Paul Parey, 1986. 132 p.
31. Szinay D., Wijnker E., Berg van den R., Visser R., de Jong H., Bai Y. Chromosome evolution in Solanum traced by crossspecies BAC-FISH // New Phytologist. 2012. V. 195. P. 688–698.
32. Tang X., de Boer J., Eck van H., Bachem C., Visser R., Jong de H. Assignment of genetic linkage maps to diploid Solanum tuberosum pachytene chromosomes by BAC-FISH technology // Chromosome Res. 2009. V. 17. P. 899–915.
33. Tanksley S., Ganal M., Prince J., Bonierbale M. et al. High density molecular linkage maps of the tomato and potato genomes // Genetics. 1992. V. 132. P. 1141–1160.
34. Valkonen J., Brigneti G., Pehu E. Resistance to Myzus persicae (Suls.) in wild potatoes of the series Etuberosa // Acta Agr. Scand. 1992a. V. 42. P. 118–127.
35. Valkonen J., Brigneti G., Salazar L., Pehu E., Gibson R. Interactions of the Solanum subsp. of the Etuberosa group and nine potato-infecting viruses and viroid // Ann. Appl. Biol. 1992b. V. 20. P. 301–313.
Рецензия
При поддержке: Dr. M. Iovene, Prof.J. Jiang (University Wisconsin-Madison, USA); K.Mäkelä (MTT); д.б.н. И.Н. Голубовская; фондаМНТЦ (проект № 3329); двустороннее российско-германского сотрудничество (проект № 131)
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
Поиск ссылок
Послать статью по эл. почте (Необходимо имя пользователя (логин))
Связаться с автором (Необходимо имя пользователя (логин))
Т. А. Гавриленко
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова, Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
Россия
Г. И. Пендинен
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова, Санкт-Петербург, Россия
Россия
В.-М. Рокка
MTT Agrifood Research Finland, Biotechnology and Food Research, Jokioinen, Finland
Финляндия
О. Ю. Антонова
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова, Санкт-Петербург, Россия
Россия
Р. Тиме
Julius Kühn-Institut, Federal Research Centre for Cultivated Plants, Quedlinburg, Germany
Германия
Восемнадцатая хромосома России
Как протеомика прокладывает путь от фундаментальных исследований к практическим решениям в медицине
Успехи геномики — науки, изучающей геномы живых организмов,— позволили медицине перейти на качественно новый уровень: теперь можно выявлять и лечить многие безнадежные болезни. Следом за геномикой идет новая область биомедицинской науки — протеомика, отрасль молекулярной биологии, занимающаяся идентификацией и количественным анализом белков.
Сергей Мошковский, профессор РАН
Первые методы протеомики появились задолго до геномных технологий, действительно высокопроизводительное изучение белков стало возможным только в постгеномную эпоху — при наличии известных нуклеотидных последовательностей геномов разных организмов.
Что такое протеомика и какие возможности она нам сулит — в интервью Сергея Мошковского, заведующего кафедрой биохимии медико-биологического факультета Медицинского университета имени Н.И. Пирогова, заведующего лабораторией в Центре физико-химической медицины, доктора биологических наук, профессора РАН.
— Сергей, вы активно участвовали в работе российской части международного проекта «Протеом человека». В чем главный смысл этого проекта? Каковы цели и задачи российской стороны и ваши лично?
— Я работал в этом большом проекте только в самом начале, ближе к 2009 году, когда он стартовал.
К тому моменту огромным научным и организационным успехом в биологии стал проект «Геном человека». Его черновой вариант был обнародован в 2002 году, и с тех пор доступные общественности результаты генома принесли огромную пользу биологии и медицине.
Однако молекулярные биологи специализируются на разных видах молекул, которые находятся в живых организмах. Геномом занимались специалисты по нуклеиновым кислотам, а что было делать тем, кто посвятил всю жизнь белкам? Напомню, что белки — это молекулярные машины клетки, которые по геномным «чертежам» реализуют большинство ее функций: от структурной до ферментативной. Белки образуют волокна цитоскелета, катализируют множество реакций, обеспечивают вне- и внутриклеточную сигнализацию. Без них вообще нет жизни.
— По логике «белковым» ученым нужно было объединиться и расшифровывать протеом — совокупность всех белков клеток и тканей человека.
— Действительно, 12 лет назад на конгрессе одноименной международной организации в Австралии создали консорциум и запустили проект «Протеом человека». В нашем геноме 23 пары хромосом, и все кодируют белки. Коллективы специалистов по протеомике из разных стран поделили белки по принципу организации генома. Например, российское протеомное сообщество стало исследовать белки, кодируемые генами хромосомы номер 18. Так договорились.
Протеом — это сложно
К сожалению, оказалось, что заниматься протеомом гораздо сложнее в техническом плане, чем геномом. Геном в разных клетках человека если не одинаковый, то очень похожий.
Состав белков, наоборот, во многом определяет морфологию клетки. В организме более 200 разных клеточных типов. Это значит, что для завершения проекта нужно охарактеризовать количественный и качественный состав белков во всех этих типах.
Непосильная задача с учетом того, что, в отличие от нуклеиновых кислот, белки нельзя амплифицировать способом полимеразной цепной реакции, как это обычно делается, а значит, аналитическая техника в протеомике — в основном масс-спектрометрия — имеет относительно низкую чувствительность.
Как российские ученые используют квантовые технологии в генетике
К тому же, в отличие от нуклеиновых кислот, белки состоят из 20 различных аминокислот даже без учета их естественных модификаций. То есть они более разнообразны химически и требуют большего арсенала аналитических подходов для анализа. Так что протеомщики поставили перед собой очень непростую задачу.
— Однако, насколько я знаю, от затеи не отказались.
— Да, ведь невыполнимые цели всегда можно ограничить, сделав более реалистичными. Люди работают на имеющемся уровне техники, причем не без успеха. Например, разработаны методы количественного анализа почти всех белков человека (их 20 с лишним тысяч), если считать белки по принципу «ген один — один белок», что, строго говоря, не совсем так.
Закодированная в гене последовательность может варьироваться в процессе созревания и переработки в клетке, образуя сотни или тысячи отдельных форм (протеоформ).
Для понимания: одна и та же модель автомобиля может выходить с небольшими различиями в кузове и подвеске. Такому «тюнингу» подвергаются почти все белки в процессе их синтеза и доведения до функционального состояния.
Движение в инвентаризации белковых продуктов, включая протеоформы, в различных клетках и тканях человека идет в том числе в нашей стране. Пока результаты имеют фундаментальную и методическую природу, то есть прямую пользу обществу принести не успели. Однако поступательное движение в науке всегда приводит к чему-то полезному.
Биомаркер из белка
Например, какой-то из белков, кодируемых в геноме, может по результатам новых данных оказаться полезным биомаркером заболевания. А по итогам проекта уже разработан метод его измерения, который можно без промедления внедрить в практику.
Добавлю, что российскую часть протеомного проекта инициировал, развивал и продолжает возглавлять один из моих учителей — академик Александр Арчаков. Он научный руководитель Института биомедицинской химии в Москве.
Как редактирование генома может вылечить глухоту
— Вы руководили работой по обнаружению белковых биомаркеров некоторых заболеваний, в частности Т-клеточной лимфомы кожи и заболеваний глаз. Расскажите, как их распознать на ранних стадиях?
— Эта работа, по сути, уже завершилась. В результате предложено несколько перспективных белковых биомаркеров, которые теперь можно тестировать в более широких выборках пациентов. Для псевдоэксфолиативного синдрома глаза это уровень аполипопротеина Д в водянистой влаге (жидкость, которой заполнены передняя и задняя камеры глазного яблока.— «Ъ-Наука» ). Он маркирует этот опасный синдром, сопровождающий развитие глаукомы. Для Т-клеточной лимфомы кожи (грибовидного микоза) таким биомаркером был хемокин CXCL10.
Когда мы говорим о такого рода исследованиях, важно разделять фундаментальную науку и разработку продукции, например тест-систем для диагностики. Я работаю в фундаментальной науке, задача тут — тестирование новых методов, чтобы извлечь что-то полезное в будущем.
В науку о белках в последние 10–20 лет буквально ворвался такой физический метод анализа, как масс-спектрометрия. Естественно, стоит задача как можно шире его тестировать — для анализа молекулярных биомаркеров в том числе, для тех молекул, которые отличают больных от здоровых или разные типы заболевания между собой.
Мы протестировали некоторые из методов масс-спектрометрии на разных заболеваниях и разных биологических жидкостях, используя плазму крови и водянистую влагу глаза. Предварительные результаты перспективны, и сейчас стоит вопрос, как и за чей счет провести дальнейшие, более широкие испытания.
Другой пример. Больше десяти лет назад мы нашли, что при раке яичника даже на ранних стадиях часто повышается уровень одного из белков плазмы крови — сывороточного амилоида А. Его не надо путать с бета-амилоидом — одним из триггеров болезни Альцгеймера.
Тесты и комбинации
Тогда казалось, что это следствие сопутствующего опухолевому процессу воспаления и не имеет особой перспективы. Однако совсем недавно выяснилось, что этот белок в некоторых случаях облегчает опухолевым клеткам метастазирование в печень. Это может заставить взглянуть на наши прежние результаты с новым интересом.
Как ученые приблизились к победе над раком на генетическом уровне
На этом биомаркерная тема в моей жизни не закончилась. Сейчас на одном из мест работы — в Центре физико-химической медицины — мы пытаемся использовать направленный масс-спектрометрический анализ белков для определения нескольких сразу биомаркеров рака толстой и прямой кишки. Что из этого выйдет, пока говорить рано. Основной инструмент создания панелей биомаркеров сразу из пары десятков белков — направленный масс-спектрометрический анализ.
Есть предположение, что этот анализ способен заменить по аналитическим параметрам привычные методы, в которых используются антитела. В диагностике опухолей будущее, скорее всего, принадлежит комбинации различных техник, например анализа нуклеиновых кислот и белков. Вот такие тесты мы и хотим воплотить — пока на небольшом количестве пациентов.
— Сейчас активно развивается новое научное направление — протеогеномика злокачественных опухолей. В чем его смысл и каковы основные задачи?
— С некоторых пор стало ясно: о злокачественных опухолях можно получить гораздо больше информации, если исследовать их на разных уровнях молекулярной организации.
Общеизвестно, что рак вызывают геномные мутации. Многие из них лежат в кодирующих белок областях и при этом несинонимичны, то есть вызывают замены аминокислот в белках. Для молекулярной классификации опухолей, для задач онкоиммунологии привлекательно уметь анализировать последствия этих злосчастных мутаций на белковом уровне.
Тематика начинает развиваться и сталкивается с методическими трудностями, присущими протеомике в целом,— это в первую очередь нехватка чувствительности по сравнению с геномными технологиями. Мы вместе с коллегами учимся и создаем экспериментальные и вычислительные подходы для объединения данных анализа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК — и белков из одних и тех же биологических образцов. Из них выделяют нуклеиновые кислоты, анализируют путем их секвенирования, находят мутации и оценивают генную экспрессию. Затем при помощи масс-спектрометрии высокого разрешения получают протеом и анализируют, как параметры нуклеиновых кислот сказались на конечном продукте — синтезированных белках. Пока мы работаем на хорошо изученных объектах — растущих в культуре раковых клетках человека, но в проектах есть перспективы переноса наших методов на модельных животных и материала от пациентов.
— Есть ли сейчас возможность практического использования этих методов? Каковы здесь перспективы?
— Отдельные белки с 1970-х измеряли с помощью антител. Это такие связующие молекулы, которые соединяются с одним кусочком целого белка. Как будто дверь открывают в замочную скважину и видят только это запирающее устройство. Но мы не знаем, как устроена дверь целиком. Значительное преимущество масс-спектрометрии белков в том, что она видит гораздо больше от белка, чем антитело: если повезет, то всю дверь, а не ее запирающую часть.
Медленный путь к успеху
Этот аналитический метод в большей степени подходит для анализа целых последовательностей. И вот этим преимуществом сейчас стараются воспользоваться. Антитела — тоже белки, и синтезируются они путем сложной биотехнологии. Здесь возможны разные сюрпризы: отличия между партиями реагента, утрата активности.
Масс-спектрометрия — физико-химический метод, он не зависит от биологических реагентов. Получается, иммунный (антительный) анализ сложнее с точки зрения реагентов, но проще с точки зрения инструментов. В масс-спектрометрии проще реагенты, зато намного сложнее приборы.
Вот мы с другими исследователями ищем место последнему методу в практическом анализе белков для диагностики тех случаев, где можно и нужно заменить иммунный анализ — например, когда на белковом уровне нужно определить не белок в целом, а его конкретный участок, например мутантный белок при некоторых злокачественных опухолях. В биотехнологии для контроля качества белковых препаратов, кстати, масс-спектрометрия давно используется.
— Возможно ли, на ваш взгляд, с помощью этих методов научиться прогнозировать неинфекционные заболевания и предотвращать их, полностью избавив от них человечество? В частности, полностью победить рак?
Как анализ ДНК поможет выявить онкологические заболевания
— Для того чтобы решить серьезные проблемы здоровья всего человечества, невозможно сфокусироваться на конкретных методах. Нужен мультидисциплинарный подход. Для проверки гипотез серьезные исследователи выбирают не те методы, которыми, предположим, владеют, а те, которые дадут наилучший результат. Например, для скрининга многих типов рака (выявления заболевания в группах людей, о которых неизвестно, больны они или нет) молекулярные анализы часто вообще не годятся. Гораздо лучше работают методы визуализации.
Что касается прогресса молекулярного тестирования, то в диагностике злокачественных опухолей ситуация медленно движется к успеху. Перспективна так называемая жидкая биопсия — выявление характерных для опухоли особенностей ДНК в периферической крови пациента. Оказывается, даже небольшие опухоли посылают весточки в периферическую кровь.
Недавно такую жидкостную биопсию сочетали с протеомным анализом и получили перспективные результаты для ранней диагностики некоторых типов рака.
Быстро, дешево и не больно
Но тут возникает другой вопрос: а сколько будет стоить такой тест? На пути у широкого распространения какого-то вида анализов, уже научно проработанного, часто стоят экономические причины. Их тоже приходится учитывать, разрабатывая такие методы, которые будут не только быстрыми, точными и неинвазивными, но и доступными.
У анализов, которые оценивают последствия генной экспрессии — от РНК до белков и даже метаболитов, на мой взгляд, есть перспективы не столько в первичной диагностике злокачественных опухолей, сколько в прогностических и предиктивных тестах. Несмотря на похожее название, первые осуществляют прогноз течения заболевания, например возможные осложнения, а вторые предсказывают ответ на разные виды терапии. В онкологии такие тесты могут использовать не биологические жидкости, которые несложно получить, но сложно изучать, а сами опухоли, изъятые из организма после хирургического вмешательства. Пока протеомика только вступает в эту область, но тут ей есть где развернуться.
Удастся ли победить рак — сакраментальный вопрос. Злокачественные опухоли будут возникать всегда. В природе это естественный исход жизни многих животных. Человек не исключение.
Но в последнее время достигнут колоссальный прогресс в лечении многих форм этой патологии. Чего стоит разработка таргетных препаратов для иммунотерапии нескольких видов рака! В сочетании с усовершенствованием скрининга, в том числе при помощи протеомики, которой я уделяю столько времени в своей жизни, думаю, большинство опухолей в ближайшие десятилетия станут полностью излечимы.
Читайте также: