В геноме трихомонады оказалось вдвое больше генов, чем у человека

На этой фотографии жгутиконосец Trichomonas vaginalis изображен в процессе клеточного деления (он делится вдоль). Фото с сайта www.k-state.edu

Прочтен геном трихомонады — возбудителя венерического заболевания трихомониаза. У крошечного паразитического жгутиконосца, как выяснилось, вдвое больше генов, чем у человека, хотя сам геном — в 20 раз меньше, что говорит об очень плотной упаковке генетической информации. В геноме трихомонады обнаружено более сотни генов бактериального происхождения, некоторые из которых облегчают паразиту прикрепление к клеткам хозяина.

Большая международная команда ученых из США, Великобритании, Дании, Канады, Бельгии, Италии, Чехии, Германии, Австралии и Тайваня сообщила в последнем номере журнала Science о прочтении генома трихомонады (Trichomonas vaginalis) — одноклеточного жгутиконосца, обитающего исключительно в мочеполовых путях человека и вызывающего венерическое заболевание трихомониаз (трихомоноз).

С биологической точки зрения трихомонада интересна прежде всего тем, что она является одним из самых примитивных представителей надцарства эукариот — организмов, обладающих клеточным ядром.

Геном трихомонады, оказывается, как минимум на 65% состоит из повторяющихся участков. Обилие повторов крайне затрудняет «сборку» прочтенных фрагментов генома в целые хромосомы (у трихомонады их шесть), и эта работа пока не закончена. Исследователи сообщают лишь о «черновом» (draft) прочтении. Однако и того, что сделано, оказалось вполне достаточно для ряда интересных выводов.

Размер генома трихомонады — около 160 млн пар оснований (у человека почти в 20 раз больше), а число генов, кодирующих белки, — около 60 000 (у человека примерно вдвое меньше). Геном трихомонады, таким образом, оказался очень «плотно упакованным». Интроны — некодирующие вставки, присутствующие в большинстве эукариотических генов, — обнаружены лишь в 65 генах трихомонады, что также говорит о сильном уплотнении информации.

Ученые обнаружили многочисленные признаки того, что трихомонада в ходе своей эволюции активно заимствовала гены у прокариот, в том числе у кишечных бактерий из группы Bacteroidetes. Всего найдено 165 генов, которые с большой вероятностью были приобретены таким образом. В основном это гены ферментов, участвующих в метаболизме углеводов и аминокислот, а также гены, кодирующие белки, при помощи которых паразит (бактерия или трихомонада) прикрепляется к клеткам хозяина.

Геном трихомонады изобилует разнообразными мобильными генетическими элементами (встроенными фрагментами вирусных геномов, транспозонами, ретротранспозонами). Анализ разнообразия и распределения мобильных и повторяющихся элементов трихомонады, а также сравнение с другими одноклеточными жгутиконосцами привел ученых к выводу, что геном трихомонады сравнительно недавно (в эволюционном масштабе времени) претерпел серьезные изменения. По-видимому, его размер недавно резко увеличился в результате дупликации (удвоения) некоторых крупных участков. В ходе приспособления к паразитическому образу жизни у трихомонады многократно «размножились» гены, необходимые для заглатывания отдельных белковых молекул и целых клеток — хозяйских или бактериальных. Все эти особенности, по-видимому, связаны с тем, что трихомонада лишь недавно начала паразитировать в мочеполовых путях человека, и процесс адаптации к новой среде обитания еще не закончен.

К числу неожиданных находок относятся гены, необходимые для мейоза — особого варианта клеточного деления, при котором число хромосом уменьшается вдвое и образуются половые клетки — гаметы. До сих пор считалось, что у трихомонады нет полового размножения (и, соответственно, мейоза), но теперь приходится признать, что половое размножение у нее все-таки есть, либо было в недавнем прошлом.

В отличие от подавляющего большинства других эукариот, трихомонада практически не нуждается в кислороде. У нее даже нет митохондрий — органелл, служащих для клеточного дыхания. Вместо них у нее имеются так называемые гидрогеносомы, внешне похожие на митохондрии и тоже обеспечивающие клетку энергией, но другим способом. В митохондриях конечные продукты (по сути дела, отходы) метаболизма цитоплазмы окисляются при помощи кислорода, при этом «оторванные» от органических молекул протоны и электроны в конечном счете соединяются с кислородом, и образуется вода. В гидрогеносомах эти протоны и электроны соединяются просто друг с другом, и образуется молекулярный водород (что, конечно, энергетически менее выгодно — в ходе этого процесса образуется меньше АТФ, чем при кислородном дыхании). В геноме трихомонады обнаружено 138 генов, кодирующих гидрогеносомные белки, причем большинство из этих белков сходны с белками митохондрий. Это подтверждает точку зрения, согласно которой митохондрии и гидрогеносомы имеют общее происхождение (напомним, что, согласно общепринятой точке зрения, митохондрии происходят от симбиотических альфапротеобактерий).

Трихомониазом заражается примерно 170 млн человек в год, поэтому прочтение генома паразита имеет большое практическое значение. Ученым удалось найти ряд новых потенциальных «мишеней для лекарств» — жизненно важных для трихомонады генов и белков, аналогов которых нет у человека и к которым фармакологи смогут подобрать вещества-ингибиторы. Сегодня трихомониаз лечат лекарствами на основе 5-нитроимидазола. Эти препараты в гидрогеносомах паразита превращаются в токсичные нитрорадикалы. Однако примерно в 2,5–5% случаев наблюдается устойчивость паразита к используемым лекарствам. Прочтение генома трихомонады позволило выявить биохимическую природу этой устойчивости и найти гены, воздействуя на которые, можно будет (предположительно) лишить паразита способности сопротивляться усилиям медиков.

Источник: Jane M. Carlton et al. Draft Genome Sequence of the Sexually Transmitted Pathogen Trichomonas vaginalis // Science. 2007. V. 315. P. 207–212.

См. также:
Число генов в геноме инфузории оказалось таким же, как у человека, «Элементы», 07.09.2006.

Александр Марков