Созревающие сперматозоиды включают большинство своих генов, чтобы не следовать своим генетическим инструкциям, как обычно, а вместо этого восстанавливать ДНК перед передачей ее следующему поколению, новое исследование обнаруживает.

Под руководством исследователей из Медицинской школы Нью-Йоркского университета им. Гроссмана, опубликованное 23 января в Cell исследование фокусируется на загадке биологии: сперматозоиды человека активируются гораздо большим числом генов (90 процентов), образец также замечен в других разновидностях как мыши, птицы и даже плодовые мухи. Клетки в большинстве органов экспрессируют около 60 процентов своего генетического кода или только подмножество генов, необходимых для того, чтобы тип клетки выполнял свою конкретную работу.

Теперь кажется очевидным, что сперматозоиды активируют гораздо больше генов по мере их развития, потому что при этом они проходят через процесс восстановления ДНК и защищают целостность сообщений, которые должны быть унаследованы.

Мы также обнаружили, что такое восстановление в сперме менее активно в генах, которые активируются или транскрибируются реже. Это подтверждает теорию, что эволюция использует частоту транскрипции в качестве рычага, набирая ее, чтобы сохранить код ДНК в некоторых генах, но выключая ее, чтобы сделать возможными изменения в другом месте, когда это способствует выживанию ».

Итай Янаи, доктор философии, старший автор, директор Института вычислительной медицины, профессор кафедры биохимии и молекулярной фармакологии Медицинской школы им. Гроссмана Нью-Йорка

Примером генов, не активированных, не восстановленных и не способных накапливать изменения в сперме, были те, которые связаны с иммунитетом, который должен постоянно развиваться, если организм должен распознавать и атаковать постоянно меняющиеся бактериальные и вирусные захватчики.

За пределами сильнейшего

Для проведения нового исследования авторы проанализировали паттерны экспрессии генов во время созревания сперматозоидов с разрешением в одну клетку. Сначала они собрали образцы ткани яичка человека, взятые у добровольцев. Используя микрофлюидику, они затем пропускали все клетки в пробах по трубе, достаточно большой для того, чтобы они могли протекать в одном файле.

Внутри трубки каждая клетка была помещена в свою собственную каплю воды, которая действовала как мини-пробирка, в которой ферменты открывали клетки и затем прикрепляли специфичные для клетки штрих-коды к каждому транскрибированному фрагменту генетического материала. Помеченные транскрипты были затем использованы для создания карт, гены которых были включены в каждой точке во время созревания сперматозоидов. Затем команда сопоставила эти результаты с известными вариациями ДНК в базах данных человеческой популяции, чтобы оценить, как часто происходило восстановление в данном гене.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что гены, активированные даже несколько раз во время развития сперматозоидов, содержали на 15-20 процентов меньше ошибок в коде ДНК, чем невыраженные гены, с отличием, связанным с транскрипционно-связанной репарацией (TCR). Этот процесс заменяет дефектные фрагменты ДНК непосредственно перед тем, как содержащиеся в них инструкции преобразуются в родственный генетический материал, РНК, во время транскрипции, первого шага в экспрессии генов. РНК-транскрипты затем считываются для создания белков, которые составляют клеточные структуры и сигналы.

Клеточные процессы, включая транскрипцию, наряду с токсинами в окружающей среде, постоянно вносят ошибки в цепи ДНК, при этом TCR отсеивает некоторые измененные коды. Различие, по словам исследователей, заключается в том, что сперматозоиды, по-видимому, применяют TCR к большему количеству генов, чем обычно, но затем останавливают экспрессию генов с помощью механизмов, неизвестных до образования белков.

В дальнейшем исследовательская группа попытается выяснить, происходят ли генетические изменения, происходящие из сперматозоидов, чаще в генах, не экспрессируемых во время созревания сперматозоидов.

Это может раскрыть понимание причин многих генетических заболеваний, связанных с изменениями в сперме стареющих отцов. Известно, что мужские репродуктивные клетки делятся и размножаются на протяжении всей жизни человека, при этом каждый раз вводятся ошибки. Авторы говорят, что это может служить обоснованием существования широко распространенного сканирования уникально в сперме, потому что яйцеклетки, полученные каждой женщиной в матке, не размножаются до конца ее жизни.

Кроме того, команда определит, используют ли клетки головного мозга, которые также экспрессируют большой процент своих генов, «транскрипционное сканирование», как сперматозоиды, и не удается ли сканирование с возрастом увеличивать риск нейродегенеративных заболеваний. Эмбриональные стволовые клетки также демонстрируют сигнатуру с высокой транскрипцией и низкой мутацией, которая может указывать на наличие такого сканирования во время развития.

«Выживание наиболее приспособленных является основой эволюционной теории, но что, если другие механизмы смещают, какие типы генов более подвержены изменениям, прежде чем естественный отбор может воздействовать на них?» спрашивает первый автор Бо Ся, кандидат PhD в лаборатории Янаи. «Такое смещение в яичках будет иметь драматический эффект, но только в эволюционных временных масштабах, скажем, миллионы лет».