Геном пшеницы

Вот попробуйте только не прочитать. Это ужасно интересно! Значительно интереснее проблем образования.

Тут коллеги
imbg пишут в ЖЖ, что
просеквенирован геном пшеницы. Я уже давно собиралась сказануть на эту тему. Геном пшеницы не прочитан полностью. То есть прочитан, но не расшифрован. Статья в Нейчер осторожно озаглавлена как "
Анализ генома мягкой пшеницы с помощью секвенирования". Проблема в том, что это очень сложный геном.
Triticum aestivum это гексаплоид (шесть наборов хромосом, не шесть штук, а шесть наборов в каждом по семь хромосом. То есть всего 42 хромосомы. Назовем эти наборы ААBBDD ). Я только напомню, что нормальному организму достаточно два набора хромосом, чтобы нормально существовать. Ой, что будет, что будет.

Возник этот гибрид предположительно 8 тысяч лет тому назад. Сначала где-то полмиллиона лет тому назад случилась гибридизационная аномалия между
Triticum urartu (геном АА) с неизвестным зверем, но предположительно это был какой-то
Sitopsis (геном ВВ). Получилась тетраплоидная полба
Triticum dicoccum (ААВВ). Затем эта тетраплоидная полба скрестилась с диплоидным эгилопсом
Aegilops tauschii (геном DD) и тоже там хромосомы не разошлись по домам, а получился такой вот гексаплоидный монстр AABBDD. Затем ее заметили людишки и решили приручить. Вот, решила немного добавить в этом месте. Не исключено, что возожность такой гибридизации обусловлена тем, что людишки уже травки осознанно культивировали. Вот и встретились на полях полба и эгилопс. И согрешили. В результате вот что получилось. Геномы диких трав такие все из себя стройные и последовательные, если речь идет о том, какой ген за каким расположен. Это все эволюционно отточено и законсервировано. Органик-преорганик.

А вот в гибридных геномах уже такого наворочено. Там эти стройные порядки пошли лесом, после доместикации куча генов вообще пропали, а от некоторых остались одни ошметки. Только в одной хромосоме из всех последовательностей – 80% нуклеотидных повторов и всяких транспозонов. Свалка какая-то, причем это ж не просто так себе ДНК, это набор мигрантов, которые шляются по геному и вырубают гены.

Повторы – это большая проблема для секвенирования. То есть прочитать это все можно, но сложить воедино очень сложно, почти невозможно. Смотрите. Чтоб прочитать ДНК, ее режут в хлам и читают по кускам. Допустим по 100 – 500 нуклеотидов. Потом биоинформатики сидят и склеивают это все воедино. Как это примерно выглядит. У нас на выходе куски c похожестью на концах:

ATGACTACGACTAC
GATA

GATAGTACTAGCAT
GCAT

GCATCATACGATCAGAGTC

Предполагается, что эта похожесть – это концы одного и того же гена. Вот по ним склеивают и называют это ессемблинг. Это очень упрощенная схема, на самом деле похожие куски длиннее, алгоритм сложнее, но суть такая. Теперь представьте, что в геноме повторы. Алгоритмы эти повторы не распознают и в основном склеивают всякие химеры от фонаря. Поэтому за основу реконструкции берут геномы ближайших родственных диких трав и других злаковых родственников, вроде риса и кукурузы. И пытаются склеивать, подглядывая за другими матрицами. Что оказалось?

В целом, кроме того, что потеряно много генов, некоторые полезные гены "размножились", причем это гены преимущественно из генома эгилопса. Среди них в пшеничном хозяйстве пригодились детальки от фотосинтетической машины, запасные белки, транспозонов горсть, несколько систем защиты и пыльцевые аллергенчики (уууу). Транспозоны тоже без дела не сидели, и попрыгали хорошенечко, вырубив гены и переведя их в статус молчащих псевдогенов. Но геном тоже не дурак, он важные гены – факторы транскрипции, забэкапил, чтоб была функциональная копия на всякий случай. За последние 50 лет это все еще хорошенечко побомбили химическими мутагенами и радиацией, и вуаля! – получилась булочка.

Я вам скажу, что генные инженеры по сравнению с последствиями этого монстрозного процесса доместикации пшеницы – они просто дети. Ну вот если бы кому взбрело в голову встроить парочку аллергенчиков с целью улучшить, скажем опыляемость, так забили бы камнями. А если представить себе, что такого мутанта вдруг сконструировали искуственно и предложили скушать, то мировое народное восстание поднялось бы.

А так вообще это геномное косое монстрище теперь священная корова у гринписа – дескать, не трожьте генноинженеры, это Хлеб, это святое.

Сборная солянка

1. Для
клеточных перепрограммистов нет ничего святого.
Из мочи выделили клетки и перепрограммировали их в нейрональные. Спрашиваете, что это за клетки в моче? Эпителиальные случаются. В этот раз использовали технологию из
серии 4, когда гены-факторы перепрограммирования не встраиваются в геном, а просто болтаются в цитоплазме, закодированные в эписомальном векторе. Эпителиальные клетки перерограммировались в плюрипотентную, которую посадили расти на коктейль, способствующий дифференциации в астроциты. Говорят, что эта уринотерапия (из комментов) при лечении, как его, Альцгеймера может пригодиться.

Вот еще успешный пример. Клетки
имунной системы перепрограммировали с помощью вируса почти СПИДа и вылечили лейкемию. Биг фарма, такие дела.

2. Редактор журнала Plant physiliology отобрал
статью генноинженерных лоббистов, которые рассуждают на тему "поломаем ли мы геном, нарушим ли мы его стабильность, если встроим туда какой левый ген и как это будет выглядить в сравнении с нормальной хорошей естественной селекцией". Это такой базовый обзор текущих представлений и знаний о геноме и того, что там происходит. Можно брать за основу лекции студентам. Вкратце – геном вообще очень пластичный, там постоянно что-то случайно мутирует, гомологично и негомологично рекомбинирует, перескакивает с места на место. Подискутировали даже
любимую пугалку анти ГМО борцов 35S промотор, у которого обнаружился потенциальный сайт рекомбинации. Таких потенциальных сайтов у нормальной хорошей пшеницы приблизительно миллион, а к хлопка 40 тысяч.

Если притягивать за уши аналогию, то она будет приблизительно такая (несколько утрирую): с неба валится камнепад огромными булыжниками, а мы стоим под ним и дискутируем, каков риск получить конъюктивит от попадания пылинки в глаз.

3. Годовой отчет успехов сельского
хозяйства Германии в картинках. К сожалению, на немецком, но если кто интересуется  темой (особенно некоторые директора агрохолдингов), то стоит переводить и читать. Текст простой, картинки ясные. Буквально несколько примеров.

В сельском хозяйстве прямо или опосредовано задействовано 11% всех трудящихся Германии.

Продуктивность сельского хозяйства за 20 лет возросла в два раза.

В 1900 году один фермер кормил четырех человек, в 1950 – 10 человек, в 2010 году -131 человек.

Потребление: в 1900 году на питание уходило половина доходов, а в 2010 – 14,7% (без учета деликатесов – 11,5%).

Экологически ориентированное хозяйство занимает 6,1% всех площадей. Из всех ЕС стран Германия стоит на третьем месте после Испании и Италии. Переход на экологическое земледелие выгодно только в одном случае – если продукты продавать намного дороже. Расходы на пестициды уменьшаются, возрастает в два раза стоимость персонала, на треть уменьшается добыча молока (я знаю, что не добыча, просто так смешнее), в два раза урожайность пшеницы (при этом стоимость этой же пшеницы вырастает в два раза). Мнения потребителей тщательно изучается и на первом месте стоит мнение потребителей, что это намного здоровее. Так что теперь под этим соусом и будем потреблять.

В отчете также обзор мировых сельхоз рынков по культурам, а также прогнозы импорта-экспорта в свете общей экономической ситуации. Что интересно, Россия – третий по значимости торговый партнер Европы после Китая, причем из России в Европу экспортируется на 90 миллиардов евро больше, чем импортируется туда.

Апд. И чтоб два раза не вставать.

4. Геномщики еще раз согласны с этнографами, что
цыгане родом из северозападной Индии, откуда они свалили полторы тысячи лет тому назад.

5. Зеленый чай со всех сторон хорош. Поверьте на слово.

6.
Земля ночью. Просто красивая картинка о том, кто будет за собой последним выключать свет.

7. Камчатский вулкан Плоский Толбачик с
космоса.

8. Британский food minister Owen Paterson
весь такой за ГМО. Уэльским борцам против ГМО будет против чего бороться.

Срочно в номер

Как я раньше уже писала, в средине ноября ожидался окончательный вердикт EFSA по Seralini. Задолбалась было ждать. Постыдились бы, уже конец ноября. И вот, пока я доклад по географии о древообработке в Финляндии готовлю для 6го класса,
наконец разродились.

Завтра дорасскажу, бо у меня вдома тут транслит. Это я прям как  репортер за самым свежаком в засаде.

О синтетической биологии

Когда я пишу о ГМО, то чаще всего имею в виду три десятка наименований трансгенных растений. Буквально недавно
flavorchemist придумал взять у меня интервью, которое не все поместилось на прокрустовом ложе. Как раз я сказанула одну вещь, которая не вошла в конечную версию – "
Я бы охарактеризовала текущую эпоху (в биотехнологии) как время накопления капитала знаний".

А я считаю, что это тема важная и актуальная. Смотрите сюда. Генная инженерия распахивает ручищи до размеров, которые называются
синтетическая биология. Это вовсе не формальный союз генетиков, ботаников и физиков с химиками. Это генетическая инженерия, которая не отдельные гены туда-сюда переносит, а изучает строение целых геномов, принципы их функционирования и приближается к тому, чтобы клепать совершенно новые организмы на свое усмотрение.

Смотрите сначала на эту картинку

Это распределение темы "синтетическая биология" в различных научных сферах. Как мы видим, вопросами синтетической биологии занимается преимущественно фундаментальная биохимия, молекулярка, химия, физика, информатика, а прикладная сфера ограничена микробиологией, возможно еще фармакологией. Растительная синтетическая биология еще в загоне, а в пищевой технологии и сельском хозяйстве только первое приближение.

Но работа, как вы видите, кипит. Теперь смотрим еще одну картинку, где она кипит. 40 стран мира задействованы в исследованиях на поприще синтетической биологии. Найдите свою страну на карте и сделайте правильные выводы.

В этой статье (всем доступной) есть еще много интересных картинок в хорошем разрешении, кто это финансирует, о чем статьи и, главное, что у нас там с биологическими и другими этическими рисками. Угу.

Про сахар

Начну издалека. Тема исследования Сералини за последние две недели ушла в новое русло. Дескать, журналистика падкая на сенсацию и все такое. Вроде как есть эффект "одиночного исследования". Если появляется совершенно новое сенсационное, то есть шанс его повыгоднее продать в медиа, а очень часто такие исследования требуют дополнительных перепроверок и при таких перепроверках сенсация не подтверждается. Вместе с тем интересные удивительные исследования совсем рядом. Я сейчас об одном таком расскажу.

Все знают, что в процессе фотосинтеза в листьях из воды и углекислого газа получается сахар. Из листьев этот сахар поступает в запасающие органы растения, где преобразуется в сложные сахара или служит скелетом для синтеза аминокислот. Все помнят еще со школы, что у растения есть для транспорта сахара и питательных веществ проводящие ткани – флоэма (сахар) и ксилема (вода и минеральные соли). А знаете ли вы, что еще до прошлого года никто толком не знал, как именно сахар проникает из клеток листьев в околоклеточное пространство, а оттуда во флоэму. Это было настоящее белое пятно. И это очень удивительно, потому что мы все как бы выживаем за счет употребления запасающих органов растений. Вся селекция направлена на то, чтобы они получались покрупнее и побольше. А как это происходит транспорт на уровне клетки – непонятно.

Транспортеры сахара В клетку нашли уже давно. Но это все не добавляло ясности к вопросу транспорта сахара ИЗ клетки. Ведь должен он как-то оттуда обратно выбираться? В некоторых случаях сахар движется по плазмодесмам, таким межклеточным соединениям. Но не всюду и не всегда. Ясно было одно, что должны быть такие молекулярные ворота для сахара из клетки, но как их найти?

И вот Вольф Фроммер начал масштабный проект по поиску таких ворот. Меня восхищает подход, это очень красивая и кропотливая работа. Предполагалось, что это должны быть мембранные белки. Для этого собрали коллекцию всех генов из Арабидопсиса, которые кодируют мембранные белки и эти гены вставили в человеческие клетки линии HEK293T. Кроме всего прочего, эти клетки известны тем, что сами по себе не транспортируют сахар наружу. Затем к этому всему добавили оптические молекулярные сенсоры сахара. Сенсор хитро сконструирован: посредине белок, который способен связывать сахар, а по бокам различные флюоресцирующие белки. Когда эта конструкция хватает сахар, то происходит конформационный сдвиг, который изменяет флюресценцию (которую можно померять). Так вот, соорудили коллекцию человеческих клеток, каждая из которых экспрессировала мембранный белок и давай тестировать каждую этими сенсорами. В общем, это могло не получиться из-за целой кучи причин, но это получилось. Обнаружились такие белки-ворота сахара. И оказалось, что это не новые, а давно полуизвестные гены. То есть известно, что они есть, что они задействованы в ответе растения на заражение микробами и давно известны в патогенезе. Только никто толком не знал, что они делают.

А обнаружилось вот что. Бактерия (или грибы), заражают растение, посылают туда свои специальные молекулы, которые "включают" синтез этих сахарных ворот. Растение начинает поставлять сахар из клетки, а голодным патогенам только этого и надо. Потом обнаружилось, что и симбионты так промышляют. Затем обнаружилось целое семейство этих генов, которые вовсе в патогенном ответе не задействованы, а в нормальном здоровом организме транспортируют сахар из клеток в разных частях растения. Разве это не чудо?

Гены называются Sweet. Это одна из самых моих любимых ботанических историй.

Про причину и следствие

Сейчас будет опять про крыс и ГМО. Ладно, уговорили, не будет. То есть будет, но потом. Сначала будет про употребление шоколада и нобелевских лауреатов. Посмотрите внимательно на эту замечательную картинку и сделайте правильные выводы.

А теперь запомните имя Franz H. Messerli. Предполагаю, что он следующий Шнобелевский лауреат. Это он обнаружил коррелятивную связь между употреблением шоколада на душу населения и количеством нобелевских лауреатов по странам. Известно, что употребление экстракта какао повышает когнитивные способности у крыс, то не исключено, что употребление шоколада повышает когнитивные способности целых наций.

Очевидно, что требуются дополнительные слепые рандомизированные исследования, чтобы подтвердить гипотезу – пишет автор.

Кому интересно отслеживать историю с Сералини, идут под кат, а остальные не морочат себе голову
ерундой.

Взрывная волна докатилась до Нейчур, где вышло аж три затылочнопочесывальные заметки.

Rat study sparks GM furore

Poison postures

Hyped GM maize study faces growing scrutiny

Помимо всего прочего, раскрылись особенности ПиАр компании. Дескать, журналисты, которые получили доступ к еще неопубликованной статье, подписали соглашение не брать комментариев у других ученых, иначе “A refund of the cost of the study of several million euros would be considered damages if the premature disclosure questioned the release of the study.” Ну это уже пахнет джинсой и по этом поводу
взволновался EmbargoWatch.

The European Union of Science Journalists’ Associations
выпустила заявление, ну и Французские журналисты примкнули
к негодованию.

За одно провели расследование, где это Сералини проводил
свои тайные опыты (особенно интересный детектив, даже есть с помощью гугля-переводчика), а также,
кто его финансировал. Это что касается a panel of top scientists
totally independent, у которых One of the main objectives is
to reach transparency (так написано в уставе организации Сералини).

Оказалось, что сеть гипермаркетов Ашан и оператор розничной торговли Carrefour очень даже причем. И внезапно, both launched "GMO Free"campaigns just after the paper came out.

Но смешно даже не это, а линк на Sevene Pharma, которая разрабатывает препараты для восстановления печени после разрушительного действия глифосата. Тестирует фуфломицин, простите, препараты
тот же Сералини. На сайте компании можно купить учебник по гомеопатии и
книжку Сералини. Торопитесь, пока результаты еще не разгромили окончательно. Кстати, казалось бы, причем тут гомеопатия? А притом, что Joël Spiroux de Vendômois, один из соавторов ТОЙ статьи,
Doctor of Medecine Homeopathy and Acupuncture Diploma.

И в завершение, the journal that published his study,
Food and Chemical Toxicology, said last week in a statement that it “welcomes any and all ‘Letters to the Editor” that have questions and concerns about this paper”, так что история еще будет продолжаться.

Ну и о прозрачности. Как правило, зависимые от монополистов-лоббистов и заговорщиков исследовательские организации, вроде нашего института, проводят свои ГМО эксперименты не в тайных лабораториях, а почему-то обязаны подать открытую заявку на высадку своих зловредных мутантов на опытных полях, и, если бюрократы разрешат высев, то на заявку все-равно накладывается мораторий на 6(шесть) недель, на протяжении которых все остальные независимые и прозрачные общественные деятели могут высказать претензии. Пока эти претензии все не рассмотрятся, никто разрешения на высадку ГМо не дает. У нас такой срок истекает 24-го. И стоит ли говорить, что независимые и общественные деятели уже заспамили бюрократов своими опасениями так, чтобы высадка озимых культур отодвинулась ближе к февралю, если вообще.

ГМО идентичный натуральному

Научились, наконец, редактировать геномы в конкретном месте, причем в соматических клетках. Инструмент для текстовых правок называется TALEN (запомните это слово).

Мне один раз уже удалось накалякать твиттеропригодный пост. Повторим подвиг. Итак, ученые придумали инструмент, с помощью которого можно влезть в геном в нужное место, подкрутить там колесики и вылезти из геном обратно вместе с инструментами. При этом в новом организме следов вмешательства, кроме как подкрученного нуклеотидика, не остается. При желании можно нужный ген в конкретном месте поломать, починить, включить-выключить или встроить свои инициалы. Новая мутация от обычной случайной будет неотличима.

Есть такой белок. Называется transcription activator-like effectors (TALE).Этот белочек секретирует бактерия
Xanthomonas с целью проникнуть в ядро растительной клетки и включить там нужные для бактерии растительные гены. Особенность этого TALE в его способности распознавать геномные последовательности и с ними связываться. Причем посредине этого белка есть вариабельная аминокислотная последовательность, которая может распознавать разные нуклеотидные участки. И в этом есть определенная закономерность – TAL-код, который
недавно взломали . (Сейчас посмотрела, что это была Ула Бонас. Ого!) И оказалось, что конкретная аминокислотная комбинация распознает конкретные нуклеотиды и это можно предсказывать и конструировать.

Теперь к этой липучке приделали ножницы-нуклеазу N, которые режут в том самом месте, где приклеился указатель. Получился такой приборчик два в одном TALEN. После того, как сделан надрез, репаративные системы клетки немедленно попробуют его заделать. Этим можно воспользоваться и сыпнуть к месту разреза нужных нуклеотидов (авось, реперативные системы ошибутся и не то встроят), небольших олигонуклеотидов, которые тоже туда встраиваются или разрезать в двух неподалеку, а при репарации этот маленький кусок просто вылетит. ВОт так.

Раньше, вместо transcription activator-like effectors пробовали использовать липкие цинковые пальцы. Но у них ниже специфичность и сложнее сконструировать. А со взломкой TAL-кода открылись широкие возможности в применении. Причем эти ножницы можно тупо впрыскивать в яйцеклетку или даже в эмбрион и проводить
genome editing in vivo с весьма впечатляющей эффективностью.

То есть вы берете тупо любой ген, копируете
вот в это окно или
сюда, и вам выдают специфическую последовательность ножниц. После чего заказываете синтетическую молекулу ножниц (да-да, по интернету) и приступаете к редакторским правкам.

Хоть я еще думаю, что публикуют только то, что получилось, а что там не получилось и в чем особенности метода будет видно попозже. Но уже сейчас это означает окончательный приход совершенно новой эры в биотехнологию растений и животных. С новыми рисками и с новыми возможностями. Ого-го-го!!!