«Прыгающие» гены могут быть причиной бесплодия у мужчин

Ученый из Стэнфордского университета сделал полный геномный анализ своих сперматозоидов и обнаружил…

Используя уникальную микрофлюидную систему высокой пропускной способности, которая дает возможность амплифицировать полный геном одной единственной клетки, биологи из Стэнфордского университета* провели анализ ДНК 91 сперматозоида Стивена Квейка (Stephen Quake), руководителя данного исследования. Результаты на днях опубликованы в Cell (http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2012.06.030).

Идея изучить свои собственные сперматозоиды не нова, она приходила в голову и Антонио Левенгуку, наблюдавшему микромир сквозь самодельные увеличительные стекла – прообразы первых микроскопов, еще в XVII веке.

Сегодня ученые проявляют ту же смелость в выборе объектов исследования, что и во времена Левенгука, но новейшие методы анализа позволяют им узнать гораздо больше. Стивену Квейку удалось составить индивидуальную полногеномную карту рекомбинации ДНК сперматозоида, провести анализ дрейфа генов в процессе мейоза и анализ конверсии генов, а также охарактеризовать мутации, возникающие de novo в процессе созревания мужских половых клеток.

Рекомбинация генов в момент мейоза (появление новых сочетаний генов, в результате которых возникают новые комбинации признаков у потомства) и новые мутации – основные причины генетического разнообразия гамет (половых клеток) одного и того же организма. И до сих пор остается много вопросов о том, как все же геном человека сохраняет стабильность под воздействием этих двух типов процессов?

Исследователи из Стэнфорда смогли выявить отличия в ДНК отдельных половых клеток одного индивида. С помощью микрофлюидной системы высокой пропускной способности удалось провести параллельную обработку образцов и минимизировать неспецифическую амплификацию. В результате были построены рекомбинантные карты 91 сперматозоида. Используя секвенс с высокой пропускной способностью, исследователи оценили частоту появления «крупных нестабильностей» генома в 31 одиночной клетке, а методом глубокого сиквенса – характеристики новых мутаций, возникших в восьми половых клетках.

Любопытно, что все изученные половые клетки различались по степени и частоте мутаций и рекомбинаций. И это отличие оказалось гораздо более существенным, чем ожидали исследователи.

Прежде считали, что процессом рекомбинации генов «руководит» белок PRDM9, который прикрепляется к ДНК в точках обмена генетическим материалом. Но Квейк и его коллеги доказали экспериментально, что достаточно часто процесс рекомбинации может происходить и без участия PRDM9, с помощью транспозонов – «прыгающих» генов, которые иногда называют мобильными генетическими элементами. Они способны перемещаться внутри генома – в том числе и там, где не может прикрепиться данный белок. Квейк считает, что эти данные очень важны, поскольку, судя по всему, транспозоны играют более заметную роль в процессе эволюции человека, чем предполагалось.

Кроме всего прочего, данная работа является техническим достижением. Она ознаменовала момент, когда стало возможным расшифровать последовательность ДНК отдельной клетки. В научных журналах уже появляются подобные сведения о раковых клетках, но впервые удалось закартировать ДНК одного сперматозоида. Сперматозоид сложен для генетического анализа, поскольку в нем, также как и в яйцеклетке, содержится в два раза меньше ДНК, чем в обычных клетках организма. Ученые почти уверены, что они – на пути разгадки причин мужского бесплодия, связанного со стерильностью спермы. То, что причиной проблемы могут быть «прыгающие» гены – вполне вероятно. Так, еще в 70-е годы прошлого века на уровне феноменологии было описано явление гибридного дизгенеза, приводящего к мужской стерильности в результате «деятельности» транспозонов.

Виновники рекомбинации, мобильные генетические элементы, были впервые досконально описаны российским генетиком Р.Б. Хесиным в 1984 году в революционной для тех времен монографии «Непостоянство генома». «Это был шок, но ему поверили», – вспоминали его ученики несколько месяцев назад на конференции «Современные проблемы молекулярной генетики», посвященной 90-летию со дня рождения Р. Б. Хесина. В частности, на конференции говорилось, что идет переосмысление научного наследия прошлого. И значение транспозонов в формировании генетической индивидуальности мы только начинаем осознавать. Например, появляются данные, что генетические перестройки с участием транспозонов, возникающие при формировании нервной системы – нейрогенезе, – как это ни удивительно, вносят свой вклад в формирование нашей уникальности и неповторимости.


На фото:
Схема строения ячейки для анализа ДНК индивидуальных клеток.

*Деятельность Stanford University («Стенфордский Университет») признана нежелательной на территории РФ.