Эволюционная геномика рода Macrostomum

Свободноживущие плоские черви рода Macrostomum

Свободноживущие плоские черви рода Macrostomum широко распространены по всему миру, они живут на песчаных пляжах морей и океанов. Макростомиды имеют относительно небольшие размеры тела от 0,5 до 1,5 мм в длину и около 0.3 мм в ширину. Они имеют высокий потенциал регенерации, способны к полному восстановлению даже после ампутации большей части тела. Вид M. lignano (Рис. 1) введен в лабораторную практику и используется в качестве лабораторной модели для изучения и решения целого ряда биологических проблем, например выяснения механизмов регенерации, старения (Wudarski et al., 2020).

Рисунок 1. Микроскопическое изображение M. lignano (источник https://en.wikipedia.org/wiki/Macrostomum_lignano)

Первое описание кариотипа у M. lignano было выполнено в 2005 году (Egger and Ishida, 2005). Позднее геном и транскриптом M. lignano были секвенированы, однако, полученные данные, пожалуй, подняли больше вопросов, чем дали ответов.

 

Начало исследований, методы и подходы, используемые нашей группой

Наша группа подключилась к исследованиям организации генома у представителя этого рода в 2013 году. Применительно к разным представителям макростомид мы разработали ряд методов хромосомного анализа, включая прижизненное кариотипирование индивидуальных особей (Zadesenets et al., 2016), создание микродиссекционных ДНК-библиотек и их секвенирование, создание микродиссекционных и локус-специфичных ДНК-проб для проведения FISH (Zadesenets et al., 2017ab), создание линий с определенным хромосомным составом, полногеномное секвенирование и секвенирование транскриптома, биоинформатический анализ результатов секвенирования (отчет по проекту РНФ 19-14-00211, статьи в подготовке).

 

Источник экспериментального материала

Образцы большинства видов рода Macrostomum и лабораторные линии червей были любезно предоставлены профессором Лукасом Шарером (L. Schärer, Zoological Institute, Basel University, Basel, Switzerland).

 

Результат, инициировавший проведение исследований

Первым удивительным результатом было выявление в лабораторной инбредной линии M. lignano анеуплоидных особей по крупной хромосоме MLI1, размер которой приблизительно равен половине гаплоидного генома (Zadesenets et al., 2017a). Молекулярно-цитогенетический анализ хромосом M. lignano с созданием и использованием микродиссекционных и локус-специфичных ДНК-проб показал, что M. lignano является скрытым тетраплоидом (Zadesenets et al., 2017b). После удвоения генома предкового вида M. lignano произошли хромосомные слияния одного предкового набора в одну хромосому. Таким образом, увеличение число копий хромосомы MLI1 могло приводить не к нарушению генетического баланса, а к возникновению пентаплоидного генома, или даже гексаплоидного генома, если в качестве основы рассматривать геном предка M. lignano до прохождения полногеномной дупликации. В проведенных экспериментах мы не выявили влияния дополнительной хромосомы/хромосом ни на фенотип носителя, ни на его фертильный статус (Zadesenets et al., 2016; статья в подготовке).

 

Изучение кариотипической эволюции в роде Macrostomum

Для выяснения особенностей кариотипической эволюции в роде Macrostomum мы провели кариотипический анализ 25 видов этого рода, из которых 20 видов были прокариотипированы впервые. Все материалы полевых сборов и лабораторных линий/ культур были любезно предоставлены профессором Лукасом Шарером (Зоологический институт Университет Базеля, Швейцария) и группой Ан-Тай Ванга (Шэньчжэньский университет, Китай). У исследованных видов мы выявили три варианта кариотипов (для видов, не получивших официальных названий, использованы лабораторные коды, присвоенные группой Л. Шарера):

  1. Кариотипы, состоящие из трех пар небольших метацентричеких хромосом (2n=6). Виды: M. baoanensis, M. clavituba, M. cliftonense, M. ermini, M. paradoxum, M. poznaniense, M. spirale, Mac027, Mac029, Mac101, Mac103, Mac108. Здесь и далее при отсутствии общепринятых названий новых видов используются технические обозначения видов, определенных Лукасом Шарером, собравшим образцы и описавшим эти виды (Университет Базеля, Швейцария);
  2. Кариотипы, состоящие из шести пар небольших метацентричеких хромосом (2n=12). Виды: Macgab_B, Macgab_C, Macgab_D, Macgab_E, M. hystricinum, M. pusillum, Mac001_Gulf, Mac022, Mac048);
  3. Асимметричные кариотипы, состоящие из трех пар мелких метацентрических хромосом и разного числа крупных хромосом. Виды: M. lignano, 2n=8; M. janickei, 2n=10; M. mirumnovem, 2n=9.

Полученные нами результаты инициировали циклы работ, посвященные исследованию не только эволюции кариотипа у макростомид, но и особенностей эволюционных преобразований генома у неополиплоидных видов макростомид, а также возникновению и формированию разных типов В-хромосом в лабораторной культуре одного из видов (см. Результаты).

 

Гранты, полученные научной группой для проведения исследований:

Грант РНФ 19-14-00211 (руководитель Рубцов Н.Б.)

Грант РФФИ 16-34-60027 мол_а_дк (руководитель Задесенец К.С.)

Грант РФФИ 14-04-32007 (руководитель Задесенец К.С.)

Бюджетные проекты: 0324-2015-0003, 0324-2019-0042, 0259-2021-0011.

 

Публикации

  1. Zadesenets K.S., Rubtsov N. B. B Chromosomes in Free-Living Flatworms of the Genus Macrostomum (Platyhelminthes, Macrostomorpha). Int. J. Mol. Sci.2021. 22, 13617. IF 5.923. Q1. (грант РНФ 19-14-00211, бюджетный проект 0259-20221-0011). [pdf].
  2. Zadesenets K.S., Jetybayev I.Y., Schärer L., Rubtsov N.B. Genome and karyotype reorganization after whole genome duplication in free-living flatworms of the genus Macrostomum. J. Mol. Sci. 2020. 21, 680. IF 5.923. Q1. (грант РНФ 19-14-00211). [pdf].
  3. Zadesenets K.S., Rubtsov N. B. Regions enriched for DNA repeats in chromosomes of Macrostomum mirumnovem, a species with recent whole genome duplication. Vavilovskii Zhurnal Genet Selektsii. 2020. 24(6): 636–642. IF58. Q3. (грант РНФ 19-14-00211). [pdf].
  4. Задесенец К.С., Рубцов Н.Б. Получение микродисекционных ДНК-проб из метафазных хромосом в случае невозможности идентификации целевой хромосомы методами рутинного окрашивания. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2020. 24(5): 519-524. IF58. Q3. (грант РНФ 19-14-00211). [pdf].
  5. Wudarski J., Egger B., Ramm S.A., Schärer , Ladurner P., Zadesenets K.S., Rubtsov N.B., Mouton S., Berezikov E. The free-living flatworm Macrostomum lignano. EvoDevo. 2020. 11(5). IF 2.146. Q2. (грант РНФ 19-14-00211). [pdf].
  6. Schärer L., Brand J. N., Singh P., Zadesenets K. S., Stelzer C.-P., Viktorin, G. A phylogenetically informed search for an alternative Macrostomum model species, with notes on taxonomy, mating behavior, karyology, and genome size. Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Researchю 58: 41-65. (бюджетный проект 0324-2019-0042).
  7. Задесенец К.С., Рубцов Н.Б. Дупликация генома в эволюции животных. Генетика. 2018. 54(10): 1107-1119. IF505. Q3. (грант РФФИ 16-34-60027). [pdf].
  8. Vellnow N., Marie-Orleach L., Zadesenets K., Schärer L. Bigger testes increase paternity in a simultaneous hermaphrodite, independently of the sperm competition level. Journal of Evolutionary Biology. 2018. 31: 180-196.
  9. Zadesenets K.S., Ershov N.I., Berezikov E., Rubtsov N.B. Chromosome evolution in the free-living flatworms: first evidence of intrachromosomal rearrangements in karyotype evolution of Macrostomum lignano (Platyhelminthes, Macrostomida). Genes (Basel). 2017. 8(11): e298. IF 4.096. Q2. (грант РФФИ 16-34-60027). [pdf].
  10. Zadesenets K.S., Schärer L., Rubtsov N.B. New insights into the karyotype evolution of the free-living flatworm Macrostomum lignano (Platyhelminthes, Turbellaria). Sci. Rep. 2017. 7(1): 6066. IF 4.379. Q1. (грант РФФИ 16-34-60027). [pdf].
  11. Задесенец К.С., Ершов Н.И., Рубцов Н.Б. Полногеномное секвенирование геномов эукариот: от секвенирования фрагментов ДНК к сборке генома. Генетика, 2017, том 53, № 6, с. 641–650. Q (грант РФФИ 16-34-60027). [pdf].
  12. Zadesenets K.S., Vizoso D.B., Schlatter A., Konopatskaia I.D., Berezikov E., Schärer L., Rubtsov N.B. Evidence for karyotype polymorphism in the free-living flatworm, Macrostomum lignano, a model organism for evolutionary and developmental biology. Plos One. 2016. 11(10): e0164915. IF 3.24. Q1. (грант РФФИ 14-04-32007). [pdf].