Российские ученые вместе с коллегами из Польши нашли механизм, который позволяет гибридным лягушкам удалять половину своих генов, чтобы размножаться. Для удаления генетического материала из ядер предшественников яйцеклеток и сперматозоидов эти земноводные используют особые структуры — микроядра. Открытие позволит создать новые методы редактирования генома. Работа ученых опубликована в журнале Scientific Reports и поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

«Мы впервые смогли описать подобный механизм удаления генетического материала у гибридов позвоночных. До этого постепенное удаление генетического материала биологи находили только у растений», — объясняет младший научный сотрудник кафедры цитологии и гистологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета Дмитрий Дедух.

Чтобы нормально функционировать и поддерживать передачу наследственных признаков из поколения в поколение, организмам необходимо сохранять целостность генетической информации. Целостность генома может нарушаться, например, из-за стрессовых факторов, таких как ионизирующее излучение, токсичные соединения, процессы старения или онкологические заболевания. При этом клетки, подвергшиеся такому воздействию, чаще всего погибают. Но некоторые существа могут удалять до 90% своего генетического материала при развитии, сохраняя способность жить и давать потомство. Один из таких организмов — съедобная лягушка Pelophylax esculentus, лапки которой популярны во французской кухне.

Половина генов этих животных принадлежит озерной лягушке, а другая половина — прудовой. Чаще всего такие гибриды не могут размножаться, так как хромосомы разных видов сильно отличаются друг от друга и не могут обмениваться своими участками, что необходимо для образования половых клеток. Однако съедобные лягушки научились манипулировать своим геномом так, чтобы сохранить процесс нормального размножения.

Из клеток-предшественников яйцеклеток и сперматозоидов таких земноводных полностью удаляются гены одного из видов. Количество хромосом второго родительского вида при этом увеличивается в два раза. Это позволяет восстановить их исходное количество. В результате происходит обмен участками, а половые клетки содержат гены только прудовой или озерной лягушки. При этом набор генов, который передается следующему поколению, зависит от того, с каким из родительских видов живет гибрид. Но как именно удаляется половина генетического материала, ученые до сих пор не знали.

Биологи из СПбГУ вместе с коллегами из Вроцлавского университета выяснили, что удаление хромосом из клеток зародышевой линии наблюдается еще у головастиков. Авторы наблюдали, как развивается гибрид из искусственно оплодотворенных икринок от появления передних конечностей до метаморфоза во взрослую особь. Для этого ученые каждый день анализировали набор хромосом предшественников половых клеток. Ученые показали, что на каждой стадии развития количество генетического материала одного из видов в ядрах клеток становилось все меньше. При этом второй геном сохранялся полностью. Авторы также обнаружили, что для удаления хромосом организмы земноводных используют микроядра, которые присутствуют только в клетках зародышевой линии гибридов. Каждое микроядро имеет одну хромосому, что позволяет удалять их постепенно, а не сразу.

Теперь исследователи планируют выяснить, как именно организм гибридов понимает, какие хромосомы надо оставить, а какие убрать. Такие механизмы ученые уже наблюдали у инфузорий, но у позвоночных увидеть их удалось впервые. Результаты новой работы помогут создать новые методы редактирования генома для сельского хозяйства, аквакультуры, а также при лечении врожденных генетических мутаций.