Обработка соматического генома

Геном большинства клеток эукариот остается в основном постоянным в течение жизни. Однако есть случаи, когда геном изменяется в определенных клетках или на разных стадиях жизненного цикла в ходе развития. Например, не каждая клетка человека имеет то же генетическое содержимое, что и эритроциты, лишенные ядра. Одной из наиболее известных групп в отношении изменений в соматическом геноме являются инфузории . Процесс, приводящий к изменению соматического генома, который отличается от генома зародышевой линии, называется соматической обработкой генома .

Результатом этого процесса является удаление целого генома из клетки. Наиболее известным примером является процесс энуклеации эритроцитов . Обработанная стволовая клетка претерпевает изменения, в результате которых она теряет ядро. В начальной фазе проэритробласт проходит через еще одно митотическое деление , в котором создается эритробласт с меньшим ядром и перемещается в сторону клетки. Ядро изолируется от цитоплазмы, а затем эритробласт делится на ретикулоцит с цитоплазмой и пиреноцит с конденсированным ядром. Пиреноцит со всем генетическим материалом из клетки затем разрушается макрофагом . Потеря генома в этом случае выгодна, так как пиреноцит может накапливать больше гемоглобина . Зрелый эритроцит без ядра может должным образом доставлять кислород. ^[1]

Уменьшение хроматина — это процесс частичного устранения генетического материала хроматина из генома будущих соматических клеток . Было обнаружено, что этот процесс происходит на ранней стадии развития в трех группах: нематоды , веслоногие рачки и миксины ^[2] Одним из первых исследований, касающихся соматической обработки генома, было наблюдение Бовери за крупномасштабным устранением хроматина у паразитической нематоды Parascaris univalens . ^[3] Во время уменьшения хроматина соматические хромосомы становятся фрагментированными с добавлением новых теломер во многих разных местах и ​​лишенными гетерохроматина, поэтому они отличаются от клеток зародышевой линии по структуре и генетическому содержанию. Клетки зародышевой линии P. univalens содержат только две хромосомы, но в раннем эмбриогенезе центральные эухроматиновые области хромосом фрагментируются в диплоидный соматический набор из 2×29 аутосом и 2×6 X-хромосом у самок или 2×29 аутосом и 6 X-хромосом у самцов, которые разделяются на два дочерних ядра. В конце концов гетерохроматин деградирует в цитоплазме. В результате уменьшения хроматина P. univalens теряет около 80–90% всей ядерной ДНК зародышевой линии. ^{[4] [5] [6]}

Уменьшение хроматина происходит также у одноклеточных эукариот, таких как инфузории. Инфузории имеют два ядра: микронуклеус (ядро зародышевой клетки), которое не экспрессирует гены, и макронуклеус, где экспрессируется большинство генов, и которое подвергается элиминации хроматина. Во время этого процесса хромосомы фрагментируются, хроматин элиминируется и создаются новые молекулы ДНК с добавленными теломерами. Окончательный макронуклеус имеет большее генетическое содержание, чем микронуклеус. У инфузорий существует два типа уменьшения: первый — фрагментация генома и потеря повторяющихся последовательностей, а второй — удаление внутренне элиминированных последовательностей в хромосомах и повторное соединение оставшихся фрагментов ДНК. ^[6]

Генная дескремблирование — это тип обработки генома, обнаруженный, в частности, у инфузорий. Гены зародышевой линии в микроядре инфузорий состоят из фрагментов ДНК, кодирующих белок (MDS), прерываемых множеством некодирующих последовательностей ДНК, также называемых внутренними элиминированными (IES).

В классе Spirotrichea , к которому принадлежит Oxytricha , фрагменты ДНК, кодирующие белок, в микронуклеусе расположены в переставленном порядке. Во время полового развития генетическое содержимое соматического макронуклеуса происходит из микронуклеуса. Сначала некоторые части, включая IES, микронуклеарной ДНК удаляются, чтобы получить транскрипционно активный геном в макронуклеусе. Также микронуклеарные кодируемые MDS, которые являются непоследовательными, должны пройти генную расшифровку, чтобы быть лигированными в правильном порядке для получения функциональных генов ^{[7] [8]}

Локальные перестройки затрагивают только определенные локусы. Такие перестройки, например, помогают создавать гены, которые производят большое разнообразие иммуноглобулинов у позвоночных. В течение жизни организмы контактируют с большим количеством антигенов . Это означает, что иммунной системе необходимо синтезировать широкий спектр антител . Каждый иммуноглобулин представляет собой тетрамер, состоящий из четырех полипептидов, соединенных дисульфидными мостиками . Они образуют две длинные тяжелые цепи и две короткие легкие цепи. Но геном позвоночных не кодирует целые гены тяжелых и легких иммуноглобулинов, а только сегменты генов. Сегменты тяжелой цепи расположены на хромосоме 14, они включают 11 константных генных сегментов (C _H ), которым предшествуют 123-129 вариабельных сегментов (V _H ), 27 сегментов генов разнообразия (D _H ) и 9 соединительных сегментов (J _H ), кодирующих различные версии компонентов V, D, J. Локусы легких цепей на хромосоме 2 (локус κ) и хромосоме 22 (локус λ) имеют схожую структуру, но не содержат сегментов D. На ранней стадии развития лимфоцита B перестраиваются локусы иммуноглобулинов. Во время перестройки сегмент V _H на локусе тяжелой цепи соединяется с одним сегментом D _H , затем группа VD объединяется с сегментом J _H. В конечном итоге экзон с открытой рамкой считывания кодирует сегменты: V _H , D _H , J _H иммуноглобулина. Благодаря сплайсингу РНК во время транскрипции этот экзон становится связанным с экзоном для сегмента C _H. Комплементарная мРНК тяжелой цепи может быть транслирована в иммуноглобулин, специфичный только для одного лимфоцита. ^[9]