Исследователи прочитали последовательность генома аксолотля, который составляет 32 миллиарда оснований, на сегодняшний день это самый большой собранный геном. Кроме того, авторы статьи, опубликованной в Nature, проанализировали транскриптом клеточной массы, образующейся при регенерации конечности амфибии, и обнаружили, что значимую роль в регенерации играют белки семейства рецептора урокиназы и малые некодирующие РНК.
Аксолотль — это личиночная форма саламандры амбистомы, которая способна размножаться, не претерпевая превращения во взрослую особь (явление, известное как неотения). Кроме того, аксолотли обладают уникальной способностью к регенерации конечностей. В том числе по этой причине они стали популярными лабораторными животными еще в XIX веке. В последнее время для аксолотлей было разработан обширный клеточный и генетический инструментарий, однако полная последовательность генома этих животных была недоступна для исследователей. Дело в том, что размер генома аксолотля превышает размер генома человека в 10 раз и составляет 32 миллиарда пар оснований, из которых значительную часть составляют повторяющиеся последовательности.
Исследователи из немецкого Института молекулярной биологии и генетики имени Макса Планка и Исследовательского института молекулярной патологии в Вене (Австрия) смогли прочитать с 32-кратным покрытием и собрать последовательность генома аксолотля — мексиканской амбистомы (Ambystoma mexicanum). Ученые воспользовались технологией секвенирования ДНК от компании PacBio, которая позволяет определить последовательность единичной молекулы ДНК размером от 10 тысяч пар оснований. Для сборки последовательностей (контигов) авторы работы специально разработали геномный ассемблер MARVEL.
Оказалось, что 65 процентов генома аксолотля составляют повторяющиеся последовательности, в том числе мобильные элементы и ретровирусы. Уникальной особенностью саламандры оказались огромные некодирующие последовательности в составе генов — интроны. Средний размер интрона аксолотля составил 22 тысячи пар оснований, что в 13 раз больше, чем у человека, и в 25 раз больше, чем у лягушки.
Исследователи надеялись найти в геноме животного, за счет чего оно способно к эффективной регенерации, и обратились к генам HOX и PAX, которые играют важную роль в развитии конечностей, мышц и нервной трубки. Оказалось, что локус HoxA у аксолотлей имеет вполне типичную для позвоночных структуру и отличается только размером за счет вставок повторяющихся последовательностей. Что касается генов Pax, оказалось, что по сравнению с другими амфибиями и, например, мышью, аксолотль даже потерял в разнообразии. Так, у него отсутствовал ген Pax3, который у других животных кодирует компонент, необходимый для формирования органов и тканей. Вместо этого его функцию взял на себя гомологичный ген Pax7, что исследователи подтвердили, «сломав» этот ген у аксолотля.
Помимо анализа генома, авторы работы создали атлас экспрессии генов в 22 тканях животного, в том числе, в бластеме — недифференцированной клеточной массе, которая образуется в месте повреждения конечности и участвует в регенерации. Эта ткань отличалась повышенной экспрессией пяти генов, из которых четыре принадлежали к семейству рецептора урокиназы системы активации плазминогена (uPAR), которая задействована, в том числе, при заживлении ран. Кроме того, в ткани обнаружили экспрессию 93 малых РНК, из которых 42 оказались ранее неизвестны.
Несмотря на то, что известная последовательность генома аксолотля значительно продвинет молекулярные методы изучения регенерации, работа немецких ученых примечательна также своеобразным прорывом в области сборки геномов. До появления технологии PacBio секвенаторы могли прочитывать небольшие фрагменты ДНК (50-200 пар оснований), которые было сложно группировать, и для сборки последовательностей с большим количеством повторов это представляло серьезную проблему. Предыдущими самыми большими собранными геномами стали геномы канадской ели и ладанной сосны, составляющие более 20 миллиардов пар оснований.
Способность к регенерации, вероятно была широко распространена среди первобытных четвероногих позвоночных, однако в процессе эволюции была утеряна, и к настоящему времени сохранилась только у саламандр.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение