Геном нематоды Caenorhabditis elegans

Мелкий круглый червь (нематода) С. elegans имеет размер около 1 мм, состоит из 959 клеток, имеет 302 нервные клетки (нейрона), живет около двух недель. Объект обладает замечательным свойством — полной прозрачностью, что позволяет следить за поведением и судьбой каждой отдельной клетки.

Секвенирование С. elegans началось в 1990 г. и протекало с темпом анализа 1 млн пар нуклеотидов в год. При сохранении такого темпа на расшифровку всего генома понадобилось бы около 100 лет. Однако именно в этот период начался процесс объединения усилий разных лабораторий, формирование международных геномных проектов, а также создавались высокопроизводительные методы секвенирования ДНК. В ходе восьмилетних исследований в декабре 1998 г. опубликована серия статей (Science, 1998) по результатам расшифровки строения генома этого первого многоклеточного животного. Данное исследование явилось своего рода предметником того, что в ближайшие годы достижима расшифровка строения всего генома человека.

Секвенирование генома нематоды проводилось двумя исследовательскими центрами: Центром геномного секвенирования (Вашингтон, США) Венгеровским центром (Кембридж, Великобритания). В работе принимало участие большое число авторов, поэтому журнал не стал публиковать их список, и отослал читателей в Internet, а коллектив ученых назвал «Консоциум секвенаторов С. elegans». Этот коллектив внес значительный вклад в расшифровку генома человека.

Размер генома С. elegans составляет 97 млн п. н., предполагаемое число генов 19.099, из них идентифицировано 36 % (7000 генов). Проводился также компьютерный анализ соотношения в геноме кодирующих и некодирующих областей. Экзоны и интроны занимают примерно равные доли – 27-26 % соответственно. Оставшиеся 47 % генома приходится на повторы, межгенные участки и т. д., т. е. на ДНК с неизвестными функциями. При сравнении данных по нематоде с дрожжевым геномом и геномами растений, насекомых и человека выясняется, что в ходе эволюции доля кодирующих участков в расчете на весь геном резко уменьшается — у дрожжей она очень высока, у человека очень мала. Л. Л. Киселев (2000) предложил, что эволюция эукариот от низших форм к высшим сопряжена с «разбавлением генома», так как на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации «ни о чем», то есть для нас непонятной и непрочитанной. Это одна из больших загадок эволюции.

В геноме нематоды обнаружено большое количество высококонсервативных доменов, участков полипептидных цепей белка или определенных участков хромосом (ДНК). Их существенная часть находится в белках, вовлеченных в межклеточные взаимодействия и в регуляцию транскрипции. Среди таких доменов у нематоды обнаружено 650, характерных для трансмембранных хеморецепторов и 140 трансмембранных рецепторных доменов, родственных родопсину; 410 доменов, встречающихся у эукариотических протеинкиназ; множество различных Zn-фингерных доменов, компонентов факторов транскрипции; 90 гомеобоксных доменов; 70 доменов, характерных для фактора роста эпидермиса и столько же доменов иммуноглобулинового типа. В эволюции наблюдается использование перетасовки готовых доменов и создание новых функций организма за счет новых комбинаций стандартных модулей. По мере усложнения организма увеличивается количество многодоменных белков.

Эукариоты обладают множеством генов, кодирующих присущие только им продукты, обусловливающие специфику эукариотической клетки: ядро, цитоскелет, органеллы, хромосомную организацию генетического материала и т. д. Большинство соответствующих генов в бактериальной клетке отсутствует, в частности, гены, кодирующие элементы цитоскелета. С появлением в эволюции такой организации эукариотической клетки возникает изменение аппарата транскрипции, в частности, появляются регуляторные элементы - Zn-фингерные домены (компоненты факторов транскрипции). При переходе от бактерий к дрожжам и далее, к нематоде, меняется содержание генов, кодирующих Zn-фингерные белки. У архебактерий отсутствуют большие семейства Zn-связывающих доменов, имеющихся у эукариот. Дрожжи и другие эукариоты, с увеличением размера генома и усложнением структуры клетки, содержат специальные белки для импорта и экспорта цинка из клетки.

Расшифровка геномов бактерий, дрожжей и нематоды дает биологам реальную возможность сравнения не отдельных генов или генных ансамблей, а целых геномов. Например, многие уникальные гены нематоды в отличие от генов дрожжей могут быть связаны с межклеточными взаимодействиями, возникающими у многоклеточного организма. У человека число генов в два раза больше, чем у нематоды. Предполагается, что часть генома человека должна иметь гомологов среди генов дрожжей и червя. При этом функции генов нематоды изучать несравненно легче, чем аналогичные гены у человека. Гены нематоды можно легко изменить путем мутаций или убить, прослеживая при этом изменения свойств организма. Таким путем можно выявлять биологическую роль генных продуктов у представителя низших многоклеточных с последующей экстраполяцией данных на другие организмы.