Генетика
Категории / Биология / Генетика / Caenorhabditis elegans как модель для понимания роли эпигенетического наследия в микроэволюции

Caenorhabditis elegans как модель для понимания роли эпигенетического наследия в микроэволюции

Автор:

В последние десятилетия эпигенетика показала себя как перспективная область исследований, поскольку она описывает изменения в закономерностях наследования, которые не включают модификации ДНК и связана с взаимодействием между организмом и окружающей средой.

Эпигенетические метки – это химические изменения, которые происходят в хромосомах и приводят к заглушению или активации определенных генов в различных тканях. Было замечено, что новые эпигенетические метки могут возникать в результате изменений окружающей среды и сохраняться на протяжении многих поколений. Существование наследуемых негенетических эффектов, оказывающих прямое влияние на фенотип, обеспечивает дополнительный механизм изменчивости, который помогает нам понять происхождение современного биоразнообразия.

Эпигенетические эффекты четко прослеживаются, когда анализируемым параметром является диета. В дополнение к влиянию на фенотип индивидуума, диета может модулировать фенотип потомства. У плацентарных млекопитающих, например, ожидается материнский эффект, связанный с питанием, учитывая совместное кровоснабжение матери и ее потомства. Однако эмбриональное развитие беспозвоночных в значительной степени не зависит от матери и маточной среды после оплодотворения. Поэтому наличие материнских эффектов у потомства беспозвоночных, обусловленных диетическими привычками матери, особенно интригует.1

Материнское влияние доступности питательных веществ уже наблюдалось у некоторых беспозвоночных, таких как Drosophila2 и Caenorhabditis elegans.3 В этой статье особое внимание будет уделено исследованиям материнских эпигенетических эффектов, которые используют C. elegans в качестве модели.

Нематода C. elegans была впервые выделена и описана зоологом Эмилем Мопасом в начале 1900-х годов. Благодаря своим уникальным морфологическим и физиологическим особенностям, этот вид был использован в качестве модельного организма в нескольких областях исследований и применялся в фундаментальных исследованиях, которые были отмечены Нобелевскими премиями в 2002, 2006 и 2008 годах.4

Исследования по оценке эпигенетического наследования, связанного с диетой, у C. elegans были сосредоточены на инсулиновом пути и показали, что он влияет на процессы, связанные с развитием, старением, метаболизмом и устойчивостью к стрессу.5 Изменения в этом пути могут быть связаны с материнским влиянием на фенотипическую пластичность потомства C. elegans.

В этом контексте Хибшман и коллеги6 продемонстрировали, что потомство C. elegans, подвергнутое ограничению калорийности, защищено от личиночного голодания, растет быстрее, чем черви, получавшие нормальное количество пищи. Исследователи также продемонстрировали, что материнская инсулиноподобная сигнализация регулирует обеспечение яйцеклеток в ответ на доступность питательных веществ.

Эпигенетическое перепрограммирование инсулинового пути приводит к развитию «экономического фенотипа», который связан с большим накоплением жира в результате нормирования питательных веществ. В нормальных условиях накопление жира вредно для организма, но оно может быть чрезвычайно положительным, если потомству приходится переживать те же стрессовые ситуации, что и его родителям, делая его более приспособленным к преодолению стресса.6

Интересно, что существует общая регуляторная сеть, которая контролирует питание потомства во время эмбрионального развития, размер потомства и продолжительность жизни у C. elegans. Поэтому изменения в калорийности питания оказывают плейотропное воздействие на C. elegans, приводя к одновременной модуляции нескольких физиологических и метаболических аспектов, что может привести к изменению размера, репродуктивного потенциала и продолжительности жизни в течение нескольких поколений. По мнению Хибшмана и соавторов,6 потенциально адаптивная функция инсулиноподобной сигнализации между поколениями, обнаруженная у C. elegans, не ограничивается этой нематодой, но может быть подтверждена на многих других организмах.

В дополнение к диете, эпигенетическое наследование, связанное с температурой, также наблюдалось у C. elegans. Клосин (Klosin) и коллеги,7 например, продемонстрировали, что изменения в экспрессии гетерохроматических генов C. elegans, вызванные повышением температуры, могут длиться 14 поколений. Таким образом, можно утверждать, что вариации доступности пищи и температуры могут генерировать эпигенетическую память, которая сохраняется на протяжении многих поколений.6 7

Эпигенетическое наследование, примером которого являются исследования C. elegans, показывает, что ламаркистская логика, которая гласит, что организм способен адаптироваться к окружающей среде и передавать эти адаптации потомству, может, в определенных пределах, использоваться для объяснения микроэволюционных процессов. Взятое вместе с возникновением мутаций в популяциях и такими процессами, как естественный отбор и генетический дрейф, эпигенетическое наследие может объяснить возникновение огромного биоразнообразия в течение нескольких поколений. Некоторые эпигенетические изменения могут даже приводить к возникновению мутаций, что подтверждает важность трансгенерационной эпигенетики для понимания микроэволюционных процессов.8 Мутагенность 5-метилцитозинов, например, в 10 раз выше, чем у неметилированных цитозинов.9

Поэтому изменения в условиях окружающей среды и доступности пищи могли вызвать материнские транскрипционные и трансляционные плейотропные эффекты, передающиеся от предков к современным штаммам. Популяции каждой из этих предковых линий могли быть изолированы друг от друга и заселять различные ниши, что привело бы к появлению широкого разнообразия различных фенотипов в течение нескольких поколений. Различные проблемы, с которыми сталкивались эти линии, могли привести к появлению популяций с необычными стратегиями выживания, как это наблюдается, например, у «спящих» личинок C. elegans (рис. 1).Рис. 1 Жизненный цикл модельного организма C. elegans (от 3 до 4 дней) при 20 °С. «Спящая» личинка обведена красным.В рамках этой стратегии личинки C. elegans L1, которые сталкиваются со стрессовыми ситуациями (например, высокая плотность популяции, высокие температуры и низкая доступность пищи), переходят в альтернативную стадию развития, известную как «спящая» личинка. На этой стадии личинка способна переносить высыхание, переходя в состояние приостановленной жизнедеятельности (аметаболизма), известное как ангидробиоз.

В состоянии покоя C. elegans способна выдерживать экстремальные условия температуры,10 радиации11 и гравитационного ускорения4 (рис. 2). Другие нематоды, очень похожие на C. elegans, являются голо-ангидробиотиками, то есть все стадии этих червей способны впадать в анабиоз при высыхании (рис. 2). Среди них можно упомянуть Panagrolaimus superbus, которая принадлежит к тому же отряду (Rhabditida), что и C. elegans, и имеет невероятное сходство с этим видом. Недавно Соуза и Перейра12 показали, что высушенные черви P. superbus также могут выдерживать экстремально низкую температуру (-196°C) и высокие дозы радиации (500 Gy (Грей) Х-излучения).

Рис. 2 Постепенное высыхание (от А до D) нематоды P. superbus. Черви были погружены в буферный раствор M9 (22 мМ KH₂PO₄, 22 мМ Na₂HPO₄, 85 мМ NaCl, 1 мМ MgSO₄) и окружены силикагелем для обеспечения высыхания. Собственные фотографии автора.

Устойчивость нематод к стрессовым условиям может быть связана с прошлыми эпигенетическими изменениями на протяжении многих поколений. Можно предположить, что предковые линии, подвергавшиеся последовательным стрессовым условиям на протяжении многих поколений, привели к появлению широкого разнообразия организмов с различными геномами и механизмами стрессоустойчивости. Чтобы понять, как эпигенетические изменения, вызванные стрессовыми ситуациями, могут формировать геномную структуру организма, рассмотрим другой вид нематод, близкий к C. elegans, C. briggae.

Многие сходства между этими червями указывают на общее происхождение. C. briggae и C. elegans имеют одинаковое количество хромосом (6) и одинаковое приблизительное количество кодирующих генов (19 500).13 Однако геном C. briggae имеет размер 104 Mbp (mega-basepairs), а геном C. elegans – только 100,3 Mbp. Разница в размерах этих геномов объясняется большим количеством повторяющейся ДНК у C. briggae.13

Интересно, что эпигенетические модификации могут вызывать сокращение или расширение повторяющейся ДНК. Например, регуляция метилирования CpG-островков может модулировать количество повторяющихся областей, увеличивая скорость эволюции и приводя к морфологическим изменениям через несколько поколений. Учитывая связь между характером метилирования генов и стрессовыми условиями, скорость эволюции будет увеличиваться в таких ситуациях, как голодание.14

 Таким образом, эпигенетическое наследование, связанное со стрессовыми условиями, может объяснить как появление стратегий устойчивости, так и рост изменений геномной структуры, которые могут привести к резким морфологическим изменениям в течение нескольких поколений.14 В связи с этим следует поощрять изучение моделей эпигенетического наследования у C. elegans, чтобы лучше понять микроэволюционные процессы, ответственные за современное биоразнообразие.

Читайте Креацентр Планета Земля в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних новостей.

Вас также может заинтересовать:

Ссылки:

  1. Rando, O.J, Simmons, R. A. 2015. I’m Eating for Two: Parental Dietary Effects on Offspring Metabolism. Cell. Elsevier Inc.161: 93–105.

  2. Matzkin, L. M., Johnson, S., Paight, C., Markow, T. 2013. Preadult parental diet affects offspring development and metabolism in Drosophila melanogaster. PLoS One8: e59530.

  3. Frazier, H. N., Roth, M. B. 2009. Adaptive sugar provisioning controls survival of C. elegans embryos in adverse environments. Current Biology 19: 859–63.

  4. de Souza T. A., Pereira, T. C. 2018. Caenorhabditis elegans Tolerates Hyperaccelerations up to 400,000 x g. Astrobiology 18(7):825-833.

  5. Murphy, C. T., Hu, P. J. 2013. Insulin/insulin-like growth factor signaling in C. elegans. WormBook. 1–43.

  6. Hibshman, J. D., Hung, A,, Baugh, L. R. 2016. Maternal Diet and Insulin-Like Signaling Control Intergenerational Plasticity of Progeny Size and Starvation Resistance. PLoS Genetics 12(10):e1006396.

  7. Klosin, A., Casas, E., Hidalgo-Carcedo, C., Vavouri, T., Lehner, B. 2017. Transgenerational transmission of environmental information in C. elegans. Science; 356(6335):320-323.

  8. You, J. S., Jones, P. A. 2012. Cancer genetics and epigenetics: two sides of the same coin? Cancer Cell 22(1):9-20.

  9. Rakyan, V., Whitelaw, E. 2003. Transgenerational epigenetic inheritance. Current Biology; 8;13(1):R6.

  10. Ujisawa, T., Ohta, A., Okahata, M., Sonoda, S., Kuhara, A. 2014.Cold tolerance assay for studying cultivation-temperature-dependent cold habituation in C. elegans. Protocol Exchange.

  11. Onodera, A., Yanase, S., Ishii, T., Yasuda, K., Miyazawa, M., Hartman, P. S., Ishii, N. 2010. Post-dauer life span of Caenorhabditis elegans dauer larvae can be modified by X-irradiation. Journal of Radiation Research 51 (1): 67-71.

  12. Souza, T. A. J., Carli, G. J. and Pereira, T. C. 2017. Survival potential of the anhydrobiotic nematode Panagrolaimus superbus submitted to extreme abiotic stresses. Invertebrate Survival Journal 14: 85-93.

  13. Stein, L. D., et al. 2003. The Genome Sequence of Caenorhabditis briggsae: A Platform for Comparative Genomics. PLoS Biol. 1(2): e45.

  14. Ruden, D. M.; Garfinkel, M. D., Xiao, L., Lu, X. 2005. Epigenetic Regulation of Trinucleotide Repeat Expansions and Contractions and the “Biased Embryos” Hypothesis for Rapid Morphological Evolution. Current Genomics 6:3.