В мхах и лишайниках живёт микроскопическое животное с настолько необычной способностью к выживанию, что исследователи сначала решили: в их данных наверняка ошибка.
Речь не о знаменитых тихоходках, а о бделлоидной коловратке Adineta vaga.
Как и тихоходки, эти существа способны почти полностью высохнуть, а после возвращения воды снова ожить. Они выдерживают дозы радиации, в сотни раз превышающие смертельные для человека, даже когда их хромосомы оказываются буквально разбиты на части.
Но теперь выяснилось нечто ещё более странное.
Adineta vaga может размножаться, даже не успев полностью восстановить повреждённые радиацией хромосомы. Более того, обломки ДНК переходят к потомству, а ремонт продолжается уже в следующих поколениях.
По словам эволюционного биолога Карин Ван Донинк из Брюссельского свободного университета, подобного прежде не наблюдали ни у одного живого организма.
Открытие началось с эксперимента, результаты которого сначала показались исследователям невозможными.
Учёные подвергли коловраток мощному облучению, затем взяли яйцо одной из них и получили из него целую популяцию генетически близких потомков. Поскольку все они происходили от одного яйца, исследователи ожидали увидеть у них одинаковые последствия радиационного повреждения.
Но этого не произошло.
Крупные утраты участков хромосом у разных особей отличались, а анализ ДНК показывал нечто особенно странное: отсутствующие последовательности словно постепенно возвращались.
Исследователи сначала заподозрили ошибку при чтении ДНК. Однако повторные анализы дали ту же картину.
Дополнительную подсказку дали края повреждённых участков. Они различались у разных животных. Это означало, что после разрушения хромосом открытые концы ДНК некоторое время продолжали разрушаться, причём у каждой особи по-разному, прежде чем начиналось восстановление.
В течение следующих месяцев учёные прослеживали судьбу повреждённых хромосом поколение за поколением.
Постепенно стало понятно, что происходит.
Коловратки перед размножением восстанавливали лишь часть повреждений. Фрагменты сломанных хромосом сохранялись, переходили к потомкам, и уже у них ремонт продолжался.
Масштаб повреждений при этом был огромным.
Животных облучали дозами в 100, 250 и 500 грей. По оценкам исследователей, это вызывало примерно 88, 220 и 440 двойных разрывов ДНК по всему геному соответственно.
При максимальной дозе одна хромосома могла расколоться на 30–50 отдельных частей.
Для большинства организмов это серьёзная проблема. При делении клетки хромосомам необходим специальный участок, который помогает правильно распределить генетический материал между новыми клетками. Фрагмент, лишившийся такого участка, может просто не попасть в дочернюю клетку.
Но у бделлоидных коловраток устройство хромосом, по-видимому, другое. Необходимые для их распределения компоненты расположены не в одной точке, а распределены по нескольким областям хромосомы.
Поэтому даже после её разрушения отдельные фрагменты могут сохранить всё необходимое, чтобы нормально переходить в новые клетки. Благодаря этому обломки хромосом способны пережить не только клеточное деление, но и смену поколений.
Однако сохранить обломки — лишь половина задачи. Их ещё нужно собрать обратно.
Геном Adineta vaga диплоидный: хромосомы существуют парами. В каждой паре находятся похожие хромосомы, содержащие одни и те же гены в одних и тех же местах, хотя конкретные варианты этих генов могут различаться.
Именно это даёт повреждённой хромосоме своеобразный образец для восстановления.
Несмотря на бесполое размножение, у этих коловраток сохранилась необычная форма клеточного деления, при которой парные хромосомы сближаются. Повреждённый конец ДНК может найти соответствующий участок на более целой парной хромосоме и использовать его последовательность для восстановления утраченного фрагмента.
Если повреждения слишком велики, одного цикла ремонта недостаточно. Тогда процесс продолжается в следующих поколениях.
Именно это оказалось самым неожиданным результатом исследования. Учёные обнаружили, что при достаточном количестве поколений первоначальная структура повреждённой хромосомы потенциально способна восстановиться полностью. Некоторые утраченные участки ДНК со временем исчезали из списка повреждений совсем.
Возникает очевидный вопрос: зачем микроскопическому обитателю мха вообще понадобилась способность переживать настолько разрушительные последствия радиации?
Вероятное объяснение связано вовсе не с радиацией.
Мхи и лишайники способны надолго полностью высыхать, а затем снова насыщаться водой. Живущим в них микроскопическим организмам пришлось приспособиться к таким резким изменениям. Бделлоидные коловратки переживают засуху, почти полностью обезвоживая собственное тело.
Но сильное высыхание чрезвычайно опасно для ДНК. Оно способно вызывать повреждения, похожие на последствия ионизирующего излучения, включая двойные разрывы и разрушение хромосом.
Поэтому исследователи предполагают, что коловратки развили столь мощную систему ремонта не для защиты от радиации. Устойчивость к облучению могла оказаться побочным следствием приспособления к многократному высыханию и возвращению к жизни после него.
Как выразилась Ван Донинк, физические повреждения от обезвоживания случайно похожи на радиационные — и благодаря этому животные одновременно приобрели устойчивость к радиации.
Необычные способности Adineta vaga могут помочь исследователям лучше понять и другие ситуации, в которых хромосомы получают катастрофические повреждения.
Например, будущие исследователи Марса могут подвергаться опасным для человека дозам радиации. А в раковых клетках встречается явление, при котором хромосомы буквально разрушаются, а затем соединяются заново, зачастую в сильно изменённом порядке.
Исследователи теперь хотят разобраться в молекулярных механизмах, позволяющих коловратке выполнять такой ремонт, и выяснить, существуют ли похожие способы восстановления у других организмов.
Есть и ещё один особенно интересный вопрос. Сейчас команда изучает, что происходит, если обе парные хромосомы разрушаются в одном и том же месте. В таком случае у повреждённой ДНК уже не остаётся целого участка-близнеца, который можно было бы использовать в качестве образца.
Перед учёными оказался микроскопический организм, способный жить буквально рядом с нами, чьи хромосомы можно разбить на десятки частей, передать эти обломки следующему поколению — и затем постепенно восстановить потерянную структуру.
Один из авторов работы Бернар Алле назвал идею передачи и ремонта разрушенных хромосом через несколько поколений совершенно неожиданной и одним из самых впечатляющих открытий в своей карьере.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
