Срочные новости раздела
Секс не ради потомства: ученые расшифровали генетические механизмы полового процесса инфузорий Paramecium

Секс не ради потомства: ученые расшифровали генетические механизмы полового процесса инфузорий Paramecium

Половой процесс у инфузорий — уникальное явление в мире живых существ. Они занимаются сексом не ради размножения или удовольствия, их цель — повысить генетическое разнообразие. Ученые СПбГУ вместе с коллегами из Польши и Франции исследовали половой процесс у пяти видов инфузорий из группы Paramecium aurelia и смогли узнать, какие именно генетические механизмы скрываются за этим феноменом.

Инфузории Paramecium aurelia в ходе полового процесса образуют пару, при этом клетки плотно соприкасаются друг с другом и между партнерами формируется прямой контакт — цитоплазматический мостик © Пресс-служба СПбГУ

Половой процесс является одним из важнейших механизмов поддержания генетического разнообразия живого. Появление системы полов оказалось важнейшим шагом в эволюции эукариот. Инфузории — самые известные протисты со сложной системой «полов» (типов спаривания). Они размножаются делением пополам, и это деление никак не связано с половым процессом (конъюгацией). Половой процесс у инфузорий сводится к обмену гаплоидными ядрами, которые сливаются, в результате чего у каждого участника формируется одинаковый диплоидный геном. Затем этот геном сохраняется в «половом» ядре (микронуклеусе) и подвергается масштабным перестройкам в соматическом ядре (макронуклеусе), в котором практически не остается некодирующей «мусорной» ДНК. Таким образом, в конъюгацию вступают две клетки и две клетки остаются по ее окончании. После полового процесса клеток не становится больше, однако они уже отличаются от тех, которые соединились в пару. Во-первых, теперь они генетически идентичны, а во-вторых, их генотипы отличаются от «родительских».

«Если провести аналогию с человеком (у которого половой процесс также не всегда ведет к размножению), можно представить ее, как если бы после акта любви оба партнера становились близнецами и при этом одновременно превращались в своих собственных детей — по сути, перерождались», — объясняет один из авторов исследования, профессор кафедры микробиологии СПбГУ кандидат биологических наук Алексей Потехин.

Ученые несколько лет исследовали особенности полового процесса пяти видов инфузорий-туфелек из рода Paramecium и выясняли, как обеспечивается наличие двух «полов» у клеток, не имеющих никаких половых признаков. «Инфузории подходят к вопросам секса не ортодоксально. Например, у разных видов инфузории-туфельки Paramecium есть множественные и бинарные системы типов спаривания. Множество типов спаривания значительно расширяет возможности для выбора полового партнера — главное, чтобы это не была клетка того же генотипа (с тем же типом спаривания), а бинарные системы — это привычная нам «двуполость». Как показала практика, двух полов вполне достаточно», — рассказывает Алексей Потехин.

Инфузории ряда видов Paramecium делятся на два типа: «четные» (Е) и «нечетные» (О) — очень условно их можно назвать представителями разных «полов», поскольку в процесс спаривания вступают только клетки разных типов. Однако как они распознают друг друга, долгое время было неизвестно. Ключом к разгадке стал ген mtA, ранее обнаруженный у Paramecium tetraurelia. Он кодирует белок, находящийся на ресничках клеток «четного» типа спаривания в момент готовности клетки к половому процессу. Этот белок позволяет клетке распознать инфузорию второго, «нечетного» типа спаривания, и такие клетки могут соединиться друг с другом. Ген mtA работает с помощью двух других белков, mtB и mtC, которые кодируют специфичные факторы транскрипции для mtA. Клетка, которая способна синтезировать все три белка, будет иметь тип спаривания Е, а если что-то не работает, то тип спаривания О.

Чтобы очистить соматический геном от всего ненужного, инфузории используют механизм геномного сканирования, с помощью особых малых РНК сравнивая старый, заведомо работающий геном и новый, который формируется после полового процесса. В итоге из нового генома удаляются все последовательности ДНК, которых не было в старом, затем старый макронуклеус разрушается, а управление жизнью клетки переходит к новому макронуклеусу. «При этом генотип новых ядер отличается от родительского, как и положено в результате полового процесса», — отмечает Алексей Потехин.

Именно с помощью геномного сканирования инфузории вида Paramecium tetraurelia цитоплазматически наследуют тип спаривания, то есть у клетки-потомка он будет тем же, что и у родителя. «У клеток с типом спаривания О в геноме нет рабочего гена mtA, так как последовательность ДНК, содержащая промотор (стартовый участок) и начало гена mtA, имеет случайное сходство с транспозонами (так называемыми прыгающими генами, составляющими значительную часть в ненужной клетке ДНК) и может быть удалена из генома макронуклеуса как ненужная. Если это происходит, то в следующих поколениях эта последовательность будет всегда удаляться при развитии макронуклеуса, ведь она уже утеряна из «трафарета». В итоге ген mtA молчит, а клетка наследует тип спаривания О», — говорит Алексей Потехин.

Цитоплазматическое наследование типов спаривания характерно еще для нескольких видов-двойников комплекса Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia и P. dodecaurelia. В новом исследовании ученые показали, что эти виды, несмотря на свое близкое родство, используют один и тот же механизм, но разные способы добиться «двуполости». У нескольких видов используется тот же способ, что у P. Tetraurelia, — эпигенетически наследуемая делеция (или хромосомная перестройка) фрагмента, содержащего промотор и начало последовательности гена mtA. У P. sexaurelia такой же «ошибочной» перестройке подвергается, наоборот, конец гена mtA. У двух видов, P. biaurelia и P. septaurelia, за «мусорную» ДНК могут быть приняты разные фрагменты гена mtB, без которого не может работать ген mtA. Конечным результатом таких перестроек во всех случаях является отсутствие белка mtA, а клетки с этими делециями будут иметь тип спаривания О.

«Когда я был студентом, 25 лет назад, меня поразило, что для маленькой группы видов инфузорий существует целых три способа наследования типов спаривания (у всех многоклеточных животных такого разнообразия не найдешь). И тогда это было абсолютной загадкой, так как никто не имел понятия ни о геномном сканировании, ни о генах типов спаривания. И то, что нашей группе удалось внести большой вклад в исследование этого феномена, вызывает у меня чувство гордости за полученный научный результат. Это был настоящий научный поиск», — подчеркивает Алексей Потехин.

Еще у одного вида, P. tredecaurelia, типы спаривания наследуются не по цитоплазме, а классически — в соответствии с законами Менделя. Ученые выяснили, что разница между клонами О и Е типов спаривания у этого вида состоит в потере одного нуклеотида в промоторе гена mtA у клонов типа Е. В геноме P. tredecaurelia при этом нет функционального гена mtB, и его роль играет другой фактор транскрипции. Проведенные эксперименты позволили установить, что сайт связывания этого неизвестного фактора как раз приходится на участок промотора с однонуклеотидной делецией и ген mtA работает из-под такого промотора. Если же делеции нет, то сайт не распознается и ген mtA не может экспрессироваться. Такой же сайт связывания в промоторе гена mtA характерен еще для трех видов комплекса Paramecium aurelia, и все они не имеют гена mtB.

«Это значит, что в эволюции данной группы несколько раз происходили переключения с одной системы регуляции типов спаривания на другую. При разных решениях результат всегда один: в каждой природной популяции должны быть клетки двух типов спаривания. В эволюции Paramecium, как оказалось, может закрепиться любая схема поддержания разнополости — как с участием разных генов, так и предполагающая разные перестройки внутри одних и тех же генов. Это говорит о том, насколько половой процесс важен даже для одноклеточных организмов», — подчеркивает Алексей Потехин.

Исследование поддержано грантом РФФИ 19-04-00710а.

Статья опубликована в журнале Genome Biology and Evolution   Источник: Пресс-служба СПбГУ

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

РИА Новости. Российские врачи под руководством главного внештатного онколога Минздрава России, гендиректора ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России Андрея Каприна впервые в мире провели перфузию
подробнее...

Способность сперматозоидов двигаться зависит от белка RAC1. Оптимальное количество активного белка повышает конкурентоспособность отдельных клеток, тогда как чрезмерная активность может вызвать
подробнее...

 РИА Новости. Масштабное геномное исследование, проведенное в Латинской Америке, позволило впервые выявили гены, влияющие на черты лица. В том числе ученые обнаружили, что ген, определяющий форму губ
подробнее...

Избранные астрономические события месяца (время всемирное):
подробнее...

Ученые официально  подтвердили  существование нового вида усатых китов, он получил название полосатик Райса (Balaenoptera ricei). Необходимые для этого данные удалось добыть благодаря мертвому киту,
подробнее...

Исследователи Сколтеха и их коллеги провели эксперимент in vitro, в котором продемонстрировали возможность стимулировать рост нейронов в гиппокампе, используя биоразлагаемые нанокапсулы для доставки к
подробнее...

Ученые-физики из университета Базеля, Швейцария, и Рурского университета в Бохуме, Германия, разработали источник единичных фотонов нового типа, который способен вырабатывать в одну секунду миллиарды
подробнее...

РИА Новости. Астрономы подтвердили, что слабый объект 2018 AG37, обнаруженный в 2018 году и получивший имя Farfarout, действительно является самым удаленным объектом из всех наблюдаемых в Солнечной
подробнее...

Команда ученых во главе с Кеннетом Вёрдаком (Kenneth J.Wurdack) описала вид грибов,  выработавший  необычное приспособление для распространения своих спор. Гриб удивительно точно имитирует облик
подробнее...

Липиды – это строительные блоки клеточной оболочки – клеточной мембраны. Помимо своей структурной функции, некоторые липиды также влияют на рост клеток, сообщает пресс-служба Галле-Виттенбергский
подробнее...

Согласно новому исследованию, когда ловчие листья насекомоядного растения венерина мухоловка закрываются, они создают небольшое магнитное поле. Это один из очень редких примеров магнитных полей,
подробнее...

Сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН обнаружили, что один из видов бактерий способен извлекать из водного раствора радиоактивные элементы — 137Cs, 233U, 239Pu,
подробнее...

В центре шарового скопления NGC 6397 астрономы обнаружили целое «кладбище» — множество небольших черных дыр, оставшихся после гибели массивных и древних звезд.
подробнее...

Орнитологи выяснили, что перелетные птицы могут находить дорогу домой из незнакомых мест благодаря умению экстраполировать свое положение на магнитной карте местности.
подробнее...

Открытые еще в 1917 году французско-канадским биологом Феликсом д’Эреллем бактериофаги представляют собой крошечные вирусы, проникающие в бактерий и убивающие их. Бактериофаги в изобилии
подробнее...

В декабре 2020 года руководители и врачи ФГБУ “Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г. И. Турнера” Министерства здравоохранения Российской Федерации
подробнее...

Группа исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли использовала один из существующих квантовых компьютеров для успешного проведения моделирования процессов, происходящих при
подробнее...

Избранные астрономические события месяца (время всемирное):
подробнее...