Генетика
Категорії / Біологія / Генетика / Caenorhabditis elegans як модель для розуміння ролі епігенетичної спадщини в мікроеволюції

Caenorhabditis elegans як модель для розуміння ролі епігенетичної спадщини в мікроеволюції

Автор:

В останні десятиліття епігенетика показала себе як перспективна сфера досліджень, оскільки вона описує зміни в закономірностях спадковості, які не включають модифікації ДНК і пов'язані зі взаємодією між організмом та навколишнім середовищем.

Епігенетичні мітки – це хімічні зміни, що відбуваються в хромосомах і призводять до заглушення чи активації певних генів у різних тканинах. Було помічено, що нові епігенетичні мітки можуть виникати внаслідок змін довкілля та зберігатися протягом багатьох поколінь. Існування успадкованих негенетичних ефектів, що мають прямий вплив на фенотип, забезпечує додатковий механізм мінливості, який допомагає нам зрозуміти походження сучасного біорізноманіття.

Епігенетичні ефекти чітко простежуються, коли аналізованим параметром є дієта. Окрім впливу на фенотип індивідуума, дієта може модулювати фенотип потомства. У плацентарних ссавців, наприклад, очікується материнський ефект, пов'язаний із харчуванням, враховуючи спільне кровопостачання матері та її потомства. Однак ембріональний розвиток безхребетних значною мірою не залежить від матері та маткового середовища після запліднення. Тому наявність материнських ефектів у потомства безхребетних, зумовлених особливостями раціону матері, особливо інтригує.1

Материнський вплив доступності поживних речовин вже спостерігався у деяких безхребетних, таких як Drosophila2 і Caenorhabditis elegans.3 У цій статті особливу увагу буде приділено дослідженням материнських епігенетичних ефектів, які використовують C. elegans як модель.

Нематода C. elegans була вперше виділена та описана зоологом Емілем Мопасом на початку 1900-х років. Завдяки своїм унікальним морфологічним та фізіологічним особливостям, цей вид був використаний як модельний організм у кількох областях досліджень та застосовувався у фундаментальних дослідженнях, які були відзначені Нобелівськими преміями у 2002, 2006 та 2008 роках.4

Дослідження з оцінки епігенетичного успадкування, пов'язаного з дієтою, у C. elegans були зосереджені на інсуліновому шляху та показали, що він впливає на процеси, пов'язані з розвитком, старінням, метаболізмом та стійкістю до стресу.5 Зміни в цьому шляху можуть бути пов'язані з материнським впливом на фенотипічну пластичність нащадків C. elegans.

У цьому контексті Хібшман і колеги6 продемонстрували, що потомство C. elegans, якщо піддати його обмеженню калорійності, захищене від личинкового голодування, зростає швидше, ніж хробаки, які отримували нормальну кількість їжі. Дослідники також продемонстрували, що материнська інсуліноподібна сигналізація регулює забезпечення яйцеклітин у відповідь на доступність поживних речовин.

Епігенетичне перепрограмування інсулінового шляху призводить до розвитку «економічного фенотипу», який пов'язаний із великим накопиченням жиру внаслідок нормування поживних речовин. В нормальних умовах накопичення жиру шкідливе для організму, але воно може бути надзвичайно позитивним, якщо нащадкам доводиться переживати ті ж стресові ситуації, що і його батькам, роблячи їх більш пристосованими до подолання стресу.6

Цікаво, що існує загальна регуляторна мережа, яка контролює харчування потомства під час ембріонального розвитку, розмір потомства та тривалість життя у C. elegans. Тому зміни в калорійності харчування чинять плейотропний вплив на C. elegans, призводячи до одночасної модуляції кількох фізіологічних та метаболічних аспектів, що може призвести до зміни розміру, репродуктивного потенціалу та тривалості життя протягом кількох поколінь. На думку Хібшмана та співавторів,6 потенційно адаптивна функція інсуліноподібної сигналізації між поколіннями, виявлена у C. elegans, не обмежується цією нематодою, але може бути підтверджена на багатьох інших організмах.

Окрім дієти, епігенетичне успадкування, пов'язане з температурою, також спостерігалося у C. elegans. Клосин (Klosin) і колеги,7 наприклад, продемонстрували, що зміни в експресії гетерохроматичних генів C. elegans, викликані підвищенням температури, можуть тривати 14 поколінь. Таким чином, можна стверджувати, що варіації доступності їжі та температури можуть генерувати епігенетичну пам'ять, яка зберігається протягом багатьох поколінь.6 7

Епігенетичне успадкування, прикладом якого є дослідження C. elegans, показує, що ламаркістська логіка, яка свідчить, що організм здатний адаптуватися до навколишнього середовища та передавати ці адаптації потомству, може, в певних межах, використовуватись для пояснення мікроеволюційних процесів. Взяте разом із виникненням мутацій в популяціях та такими процесами, як природний добір та генетичний дрейф, епігенетична спадщина може пояснити виникнення величезного біорізноманіття протягом кількох поколінь. Деякі епігенетичні зміни можуть навіть призводити до виникнення мутацій, що підтверджує важливість трансгенераційної епігенетики для розуміння мікроеволюційних процесів.8 Мутагенність 5-метилцитозинів, наприклад, в 10 разів вища, ніж у неметилованих цитозинів.9

Тому зміни в умовах довкілля та доступності їжі могли викликати материнські транскрипційні та трансляційні плейотропні ефекти, що передаються від предків до сучасних штамів. Популяції кожної з цих предкових ліній могли бути ізольовані одна від одної та заселяти різні ніші, що призвело б до появи широкого різноманіття різних фенотипів протягом кількох поколінь. Різні проблеми, з якими стикалися ці лінії, могли призвести до появи популяцій з незвичайними стратегіями виживання, як це спостерігається, наприклад, у «сплячих» личинок C. elegans (Мал. 1).Мал. 1 Життєвий цикл модельного організму C. elegans (від 3 до 4 днів) при 20°С. «Спляча» личинка обведена червоним.В рамках цієї стратегії личинки C. elegans L1, які стикаються зі стресовими ситуаціями (наприклад, висока щільність популяції, високі температури та низька доступність їжі), переходять в альтернативну стадію розвитку, відому як «спляча» личинка. На цій стадії личинка здатна переносити висихання, переходячи в стан зупиненої життєдіяльності (аметаболізму), відомий як ангідробіоз.

В стані спокою C. elegans здатна витримувати екстремальні умови температури,10 радіації11 та гравітаційного прискорення4 (мал. 2). Інші нематоди, дуже схожі на C. elegans, є голо-ангідробіотики, тобто всі стадії цих хробаків здатні впадати в анабіоз при висиханні (рис. 2). Серед них можна згадати Panagrolaimus superbus, що належить до того ж ряду (Rhabditida), що й C. elegans, і має неймовірну схожість із цим видом. Нещодавно Соуза та Перейра12 показали, що висушені черви P. superbus також можуть витримувати екстремально низьку температуру (-196°C) та високі дози радіації (500 Gy (Грей) Х-випромінювання).

Мал. 2 Поступове висихання (від А до D) нематоди P. superbus. Хробаки були занурені в буферний розчин M9 (22 мМ KH₂PO₄, 22 мМ Na₂HPO₄, 85 мМ NaCl, 1 мМ MgSO₄) та оточені силікагелем для забезпечення висихання. Власні світлини автора.

Стійкість нематод до стресових умов може бути пов'язана з минулими епігенетичними змінами протягом багатьох поколінь. Можна припустити, що предкові лінії, що піддавалися послідовним стресовим умовам протягом багатьох поколінь, сприяли появі широкого розмаїття організмів з різними геномами та механізмами стресостійкості. Щоб зрозуміти, як епігенетичні зміни, спричинені стресовими ситуаціями, можуть формувати геномну структуру організму, розглянемо інший вид нематод, близький до C. elegans, C. briggae.

Багато подібностей між цими хробаками вказують на загальне походження. C. briggae і C. elegans мають однакову кількість хромосом (6) й однакову приблизну кількість кодуючих генів (19 500).13 Проте геном C. briggae має розмір 104 Mbp (mega-basepairs), а геном C. elegans – лише 100,3 Mbp. Різниця в розмірах цих геномів пояснюється великою кількістю ДНК, що повторюється, у C. briggae.13

Цікаво, що епігенетичні модифікації можуть викликати скорочення або розширення ДНК, що повторюється. Наприклад, регуляція метилювання CpG-острівців може модулювати кількість областей, що повторюються, збільшуючи швидкість еволюції й приводячи до морфологічних змін через кілька поколінь. Враховуючи зв'язок між характером метилювання генів та стресовими умовами, швидкість еволюції збільшуватиметься в таких ситуаціях, як голодування.14

Таким чином, епігенетична спадковість, пов'язана зі стресовими умовами, може пояснити як появу стратегій стійкості, так і зростання змін геномної структури, які можуть призвести до різких морфологічних змін протягом кількох поколінь.14 В зв'язку з цим слід заохочувати вивчення моделей епігенетичного успадкування у C. elegans, щоб краще зрозуміти мікроеволюційні процеси, відповідальні за сучасне біорізноманіття.

Читайте Креацентр Планета Земля в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх новин.

Вас також може зацікавити:

Посилання:

  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.