Исследование: ДНК коловраток восстанавливается от радиации через несколько поколений

Бделлоидные коловратки — микроскопические животные, обитающие во мхах и лишайниках по всей планете. Их организм способен вижить, даже лишившись почти всей жидкости. Коловратки выдерживают дозы радиации, в сотни раз превышающие смертельные для человека. Теперь у одного из видов этих существ — Adineta vaga — биологи обнаружили особенность, которой нет ни у кого из других живых организмов, включая знаменитых тихоходок. Пережив воздействие радиации, Adineta vaga передает поврежденные им хромосомы следующим поколениям, которые продолжают восстанавливать разрушенную ДНК. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Как коловратки выживают после облучения

Открытие было сделано неожиданно во время эксперимента по облучению коловраток. Ученые собрали яйцо, отложенное облученной особью, и создали на его основе популяцию клонов. Ожидалось, что все клоны унаследуют одинаковые радиационные повреждения. Но анализ ДНК показал, что у всех особей отсутствовали разные генетические участки. При этом данные секвенирования указывали на то, что утраченные фрагменты ДНК постепенно восстанавливаются. Повторные анализы подтвердили, что неровные края пораженных участков ДНК у коловраток не совпадали.

Дозы облучения, которому подвергали коловраток составляли 100, 250 и 500 Гр. По оценкам ученых, это давало около 88, 220 и 440 разрывов обеих цепей ДНК по всему геному. При максимальной дозе радиации каждая хромосома могла распасться на 30–50 частей. Обычно такие повреждения делают клеточное деление невозможным. Дело в том, что при делении хромосомы используют специальный участок, который обеспечивает правильное распределение генетического материала, — центромеру. Без нее хромосома не может передать дочерний клетке нужный фрагмент. Но биология коловраток позволяет им обходить это препятствие. 

«Наши результаты показывают, что хромосомы бделлоидных коловраток имеют голоцентрическую структуру, то есть ключевые компоненты центромеры распределены по всей длине хромосомы, — объясняет молекулярный биолог Бернар Алле из Левенского католического университета. — Поэтому даже поврежденные хромосомы часто несут все необходимое для правильного деления».

Как коловратки «ремонтируют» ДНК

Восстановление ДНК у Adineta vaga запускается благодаря диплоидному геному — двойному набору хромосом, в котором у каждой хромосомы есть аналог. Когда одна хромосома повреждена, ее заменяет уцелевшая гомологичная копия. Именно она служит образцом для восстановления поврежденных участков. Хотя коловратка размножается бесполо, у нее сохранилась необычная форма мейоза, при которой гомологичные хромосомы сближаются. Разорванный конец ДНК ищет соответствующий участок в гомологичной хромосоме и по нему восстанавливает утраченную последовательность генов.

Ученые назвали этот механизм BIHER от break-induced homologous extension repair — гомологичная репарация по механизму индукции разрыва. Если повреждений слишком много, часть поврежденных участков ДНК передается по наследству потомству и процесс восстановления продолжается у следующих поколений. Со временем BIHER может восстановить исходную структуру хромосомы и вернуть потерянные фрагменты ДНК.

Такой механизм защиты от радиации появился у коловраток под воздействием окружающей среды. Мхи и лишайники, где они обитают, надолго пересыхают, и микроскопические животные вынуждены выдерживать почти полное обезвоживание. Высыхание наносит ДНК точно такие же повреждения, как и радиация. Поэтому устойчивость к радиации — всего лишь побочный эффект эволюционной адаптации к высыханию. 

Открытие поможет понять, как справляться с повреждениями хромосом в экстремальных условиях, например при космических полетах на Марс. Кроме того, возможно, оно приблизит человечество к победе над раком: хромотрипсис в раковых клетках, при котором хромосомы разрушаются и собираются в хаотичном порядке, напоминает воздействие радиации.