Ученый КФУ: "У космического комара есть добавочный набор генов, позволяющий ему выжить без воды"

В пятницу, 11 сентября, в журнале Nature Communications была опубликована совместная статья российских и японских ученых "Comparative genome sequencing reveals genomic signature of extreme desiccation tolerance in the anhydrobiotic midge".

Журналист пресс-центра обратился к Олегу Гусеву, ведущему научном сотруднику лаборатории "Экстремальная биология" и одному из соавторов статьи с  просьбой рассказать о результатах сравнительного анализа генома двух видов хирономид.

- Поздравляем вас с публикацией. Надеемся, для лаборатории, которой вы руководите, эта статья стала первой ласточкой. Чем вы смогли заинтересовать научных редакторов Nature Communications? Что интересного в опубликованной работе?

- Речь в статье идет о том, что впервые большой геномный проект направлен на понимание механизмов устойчивости отдельно взятого вида к полному обезвоживанию. Это результат работы нескольких лет.

- Вы говорите о высушенных комариках того же вида что использовался и в международном космическом эксперименте?

- Именно так, речь идет о единственном известном насекомом с  таким потенциалом к выживанию в суровых условиях.  Как вы помните, "космический комар" (африканская хирономида P. vanderplanki) является уникальным примером развития способности выживать без воды, и в таком состоянии выдерживать даже тяжелые условия открытого космоса.

Начиная исследование, нам, объединённой российско-японской исследовательской группе, в которую, кроме ученых Казанского федерального университета, вошли ученые института Агро-биологических наук (Япония), Окинавского Университета Науки и Технологий, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института Физико-химической медицины и ряда других институтов, был интересен молекулярный механизм, позволяющий даже отдельно взятым клеткам хирономиды адаптироваться к полному отсутствию воды.

- В чем новизна исследования и какие результаты были получены вашей научной группой?

- Впервые для анализа группа брала два вида хирономид одного рода: криптобиотического (способного выживать без воды) Polypedilum vanderplanki  и "обычного" Polypedulum nubifer, визуально почти неотличимого, но не обладающего "суперспособностями".

Во-первых, мы выяснили, что геномы хирономид оказались самыми компактными среди насекомых - их размер на треть меньше генома мух-дрозофил и примерно на 15% меньше другой хирономиды Belgica Antarctica, буквально месяц назад названной насекомым с самым маленьким геномом.

Во-вторых, геном "обычного" комара содержал все типичные для насекомых гены и никаких "особых" черт мы не увидели. Зато в геноме криптобиотического комара мы обнаружили целые "островки" новых или "дополнительных" генов, активирующихся исключительно на обезвоживание. Удивительно, что в дополнение к классическому набору защитных генов африканская хирономида имеет "добавочный" набор антиоксидантов, белков теплого шока и других "полезных" генов, активность которых строго привязана к периодам обезвоживания.

Кроме того, мы увидели, что часть таких "супергенов" вообще не имеет себе аналогов в насекомых и их появление в геноме "космического комара" связано с горизонтальным переносом генов из бактерий и/или других организмов.

Обобщая, можно сказать, что сравнительный анализ генома "суперкомарика" и "обычного комарика" однозначно указал на преобразования в геноме, которые необходимо сделать, чтобы создать организм, устойчивый к экстремальным условиям среды, в том числе, и к жизни без воды.

– А где проводились исследования?

- Большая часть самого секвенирования генома и получения данных об активности генов была проведена в России, на базе лаборатории эволюционной геномики факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ. К тому же помощь в секвенировании оказали группы Института физико-химической медицины. 

Таким образом, высокотехнологичная часть работ в значительной степени осуществлена в России.  Многим мы обязаны и Российскому фонду фундаментальных исследований. Благодаря гранту на поддержку ведущих молодежных групп, статья "обогатилась" главой об уникальных ферментах-метилтрансферазах, обеспечивающих защиту белков от старения в клетках хирономиды.

- Какие исследования планируются в лаборатории "Экстремальная биология" в ближайшее время?

- C завершением этапа исследований африканской хирономиды мы вплотную подходим к "этапу биомиметики" - переносу знаний о механизмах в живых организмах в область биомедицины и биотехнологии, искусственных консервантов.

Так получилось, что выход статьи совпал с новостями о том, что наши заявки на работу в двух интересных направлениях поддержаны Российским научным фондом и Федеральной целевой программой Министерства образования и науки РФ.

В обоих случаях речь идет о совместных исследованиях с японскими коллегами из Института Агробиологических Наук и Омиксного центра РИКЕН.  

Российский научный фонд выделил средства на детальный анализ работы генов в различных тканях хирономиды  и культуре ее эмбриональных клеток. В рамках формируемой совместно с РИКЕН лаборатории функциональной геномики мы займемся созданием атласа экспрессии промоторов в геноме хирономиды. Главный интерес здесь – выявление особых типов РНК, контролирующих активацию различных этапов криптобиоза.

Второе направление работ – перенос знаний об особых "чувствующих обезвоживание" участках в геноме хирономиды в область биотехнологии. На основе генетических конструкций мы работаем над созданием методик синтеза и последующего хранения рекомбинантных белков без потери их биологической активности в обезвоженных клетках насекомого.

Кроме того, огромный интерес представляют механизмы такой "скоростной" эволюции генома отдельно взятого вида насекомых. Это, как мы уже знаем из предыдущих исследований, напрямую связано с особым отношением этого насекомого к повреждениям ДНК (под действием, например, избыточных доз ионизирующей радиации), когда даже очень значительное повреждения геномной ДНК не ведет к смерти клеток. Вместо этого, клетки хирономиды репарируют ДНК и продолжают жить.

Cтоит отметить, что полученные гранты – это всего лишь "академический аванс", и нам только еще предстоит доказать, что мы способны продуктивно работать. Тем более, в тесном контакте с иностранными партнерами. Хочется показать им лучшие стороны и возможности Казанского университета.

Кстати, в конце октября (перед конференцией "ПостГеном" ) на базе нашей лаборатории состоится первый международный семинар "Life of Genomes" (с элементами молодежной школы) совместной российско-японской группы и приглашенных ведущих ученых. С удовольствием приглашаю всех желающих принять участие в семинаре.

– Олег Александрович, спасибо за интересный рассказ.  И успехов в исследованиях!