Навіщо «читати» геном Synedra acus?

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 71

Діатомова водорость Synedra acus, що мешкає в Байкалі, — один з основних дослідницьких об’єктів молекулярних біологів ЛІН СО РАН. Фото Н. Волокітіної

Кремній відіграє особливу роль у житті діатомових водоростей, клітини яких покривають прозорі панцирі з кремнезему: його вміст у загальній біомасі водоростей може досягати 50%. Діатомеї потрібно вирішити відразу кілька дуже непростих проблем: спочатку добути кремнієву кислоту з навколишнього середовища — морської або прісної води, і якийсь час зберігати її в клітці, а потім доставити в певні точки створки клітинного панцира, де вона повинна полімеризуватися. Весь процес відкладення кремнезему всередині клітин діатомів повинен дуже точно регулюватися, проте досі молекулярні біологи не мають повного уявлення про шляхи реалізації інформації, записаної в їхніх геномах.

Про автора Олексій Анатолійович Морозов — аспірант і провідний інженер групи біонформатики відділу ультраструктури клітини Лімнологічного інституту СО РАН (Іркутськ). Автор і співавтор 4 наукових робіт.

У 2015 р. наша дослідницька група з Лімнологічного інституту СО РАН опублікувала розшифрований геном діатомової водорості Synedra acus, що мешкає в Байкалі. І хоча зараз «прочитати» геном живого організму набагато простіше і дешевше, ніж років десять тому, ця робота як і раніше вимагає складного обладнання і дорогих реактивів. Чому ж вчені з ЛІНу взялися за цей масштабний проект, і чому саме діатомова водорость була обрана як об’єкт дослідження?

Діатомові водорості становлять великий інтерес для вчених з різних областей науки. Завдяки своїй численності, різноманітності і широкому поширенню — від океанів і озер до торф’яних боліт і антарктичних льодів — діатомеї забезпечують до 20% первинної продукції біосфери Землі, до того ж клітини цих водоростей укладені в кремнеземні створки складної нанорозмірної структури, що добре зберігаються в геологічних відкладеннях. Проте на даний момент опубліковані геноми всього шести видів діатомів, включаючи нашу синедру, а це дуже мало для такої величезної групи (Armbrust et al., 2004; Bowler et al., 2008; Tanaka et al., 2015; Галачьянц та ін. 2015).

Наприклад, у близькій до діатомеїв групі ооміцетів — схожих з грибами організмів з багатоядерним міцелієм, у одного тільки роду фітофтора було відсеквеновано чотири види з сотні. Справа в тому, що фітофтори — це сумнозвісні патогени культурних рослин, і якщо аналіз їхнього геному дозволить розробити більш ефективні методи боротьби з ними, то витрачені на це кошти тут же окупляться сторазово. Діатомеї ж до останнього часу цікавили переважно фундаментальну науку. З іншого боку, якщо вченим вдасться «реконструювати» механізми формування кремнеземних створок, це стане справжнім проривом в нанотехнологіях, але не раніше, ніж дослідження будуть завершені. Зараз же геномікою діатомів у всьому світі займається менше десятка лабораторій.

Діатомеї забезпечують до 20% первинної продукції біосфери Землі. Це означає, що один з кожних п’яти атомів вуглецю, залучених в біологічний кругообіг, був асимільований з атмосферної вуглекислоти саме клітиною діатомової водорості.

Геном як ключ до еволюції діатомей

Секвенування геному дозволяє вирішувати ряд важливих завдань, які не можна або важко вирішити за допомогою інших методів дослідження, таких як мікроскопія або біохімічний аналіз.

По-перше, завдяки знанню генетичної інформації стає набагато простіше шукати білки, що відповідають за ті чи інші функції (Галачьянц та ін., 2015). Після завершення геномного проекту у дослідника є кілька десятків тисяч «прочитаних» генів і, відповідно, передбачених білків. Частина цих генів може бути упізнана відразу, тому що аналогічні їм вже були вивчені і описані в інших організмів. Для інших можна, принаймні, оцінити масу білків, які вони кодують, а також провести пошук «родичів» в інших геномах. Також нескладно з’ясувати, чи є шуканий білок трансмембранним чи ні, і в яку клітинну органелу він попрямує після синтезу. А при наявності транскриптомів (сукупності всіх «лічених» з генів нуклеотидних послідовностей, включаючи мРНК і некодуючі РНК, які клітина синтезує в той чи інший період часу) можна дізнатися, за яких обставин експресується, тобто починає працювати той чи інший ген.

Нашу групу в першу чергу цікавлять гени, залучені в метаболізм кремнію, в той час як основна мета, наприклад, групи японського дослідника Т. Танакі, яка «прочитала» геном Fistulifera solaris, полягала у використанні цієї морської діатомової водорості в якості продуцента біопалива (Tanaka et al., 2015).

По-друге, лише за наявності повних геномів (саме у множині!) можна вивчати деякі аспекти еволюції, яка у групи водоростей-гетероконтів, до яких належать діатомеї, дуже інтригує.

На сьогодні вважається доведеним, що хлоропласти рослин, в яких відбувається фотосинтез, зобов’язані своїм походженням ендосимбіозу: колись клітина ціанобактерії була поглинута еукаріотичною кліткою, але не перетравилася, а стала функціонувати всередині господаря, поступово спростившись до виду сучасної внутрішньоклітинної органели. При цьому велика частина генів ендосімбіонта була перенесена в геном господаря. Що ж стосується гетероконтів і, зокрема, діатомових водоростей, то передбачається, що їх предки проковтнули, в свою чергу, вже еукаріотичну червону водорость разом з її хлоропластом. Підтвердженням цієї теорії є наявність чотирьох (замість звичайних двох) мембран, що оточують хлоропласти діатомових, а також відкриття в їхньому геномі понад 170 генів червоних водоростей (Bowler et al., 2008). Саме тому в геномах діатомів присутні гени, що сходять до учасників обох ендосимбіозів. Крім того, в них були виявлені гени різних прокаріот (протеобактерій, архей та ін.), що потрапили шляхом так званого горизонтального перенесення, а також велика кількість унікальних генів, аналогів яким немає в інших живих організмів.

Останні генетичні дані свідчать на користь гіпотези, що діатомеї, поряд з іншими водоростями з групи Heteroconta, з’явилися близько 1 млрд років тому в результаті симбіозу нефотосинтезирующего одноклітинного еукаріотичного організму з одноклітинною червоною водоростю, чий фотосинтезуючий орган (хлоропласт) безпосередньо стався від симбіотичних ціанобактерний

Щоб встановити історію окремого гена, достатньо відсеквенувати один лише цей ген для певної вибірки організмів, що набагато швидше і дешевше секвенування повного геному і дозволяє включити в аналіз набагато більше видів. Але реконструкція складних еволюційних подій вимагає вивчення історії всіх генів у всіх представників групи, і цю інформацію можуть дати тільки повні геномні дослідження.

У нашому випадку вибір об’єкта дослідження був пов’язаний в першу чергу з тим, що Synedra acus є прісноводним видом. І той факт, що вона витягує необхідну їй кількість кремнію навіть з байкальської води, відомої своєю низькою мінералізацією, робить синедру ідеальним кандидатом для дослідження механізмів імпорту цього елемента, а також інших адаптацій до прісноводного способу життя. По-друге, ця водорость стала першим відсеквенованим представником великої групи безшовних пеннатних діатомів, що відкриває можливість простежити історію формування тих чи інших молекулярних механізмів і особливостей геному серед різних таксонів діатомових.

Наша робота з геномом синедри не закінчується публікацією результатів секвенування. Вже отримані багатообіцяючі дані про структуру окремих генів, що беруть участь в метаболізмі кремнію, і ведуться дослідження відповідних білків. У планах — отримання транскриптома, що дозволить оцінити експресію генів, які нас цікавлять, і розширити знання про їх регуляцію.

«Після загибелі діатомей їх порожні міцні кремністі створки прекрасно зберігаються в опадах. Причому найчастіше неушкодженими залишаються навіть найдрібніші елементи структури копалин стінок діатомей, що дозволяє ідентифікувати їх до виду через мільйони років.

За допомогою методу молекулярного годинника вдалося встановити, що діатомові водорості з’явилися близько 230 млн років тому. Ймовірно, перші діатомеї були оголеними джгутиковими клітинами (в даний час їх відносять до Heterokonta — різножгутиковим, так як на деяких стадіях життєвого циклу вони мають один джгутик з найтоншими волосинами).

Найбільш ранні відкладення діатомей були знайдені в Кореї, в опадах, що сформувалися на суші. Була висловлена гіпотеза, що океан, який відступив близько 230 млн років тому, залишив за собою калюжі, де і мешкали джгутикові діатомеї. Вони стали використовувати кремнезем, що гальмує процес старіння, щоб переживати в стадії спокою несприятливі умови.

Стародавні діатомеї споживали так багато кремнезему, що він почав осаджуватися в клітинах, мабуть, спочатку у вигляді маленьких лусочок, які видавлювалися з клітин і створювали навколо них захисну оболонку, що перешкоджає зневодненню при висиханні мілководних водойм «.

(Медлін, Сімс, 2006, с. 28)

Література1

. Галачьянц Ю.П. та ін. Визначення нуклеотидної послідовності повного геному безшовної пеннатної діатомеї Synedra acus subsp. Radians з озера Байкал//Докл. РАН. 2015. Т. 461. № 3. С. 348-352.2.

Armbrust E. V. et al. The Genome of the Diatom Thalassiosira pseudonana: Ecology, Evolution and Metabolism // Science. 2004. Vol. 306 (5693). P. 79–86.3.

Bhattacharya D., Qui H., Price D. C. Why we need more algal genomes // J. Phycol. 2015. Vol. 51. № 5. P. 1–5.4.

Bowler C. et al. The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes // Nature. 2008. 456: 239–244.5.

Tanaka T. et al. Oil accumulation by the Oleaginous Diatom Fistulifera solaris as Revealed by the Genome and Transcriptome // The Plant Cell. 2015. Vol. 27. № 1. P. 162–176.