Все инфузории делают это, но все — по-разному: ученые расшифровали механизмы полового процесса Paramecium

Научный журнал Genome Biology and Evolution

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.

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.

Исследование поддержано грантом РФФИ 19-04-00710а.

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.

Профессор кафедры микробиологии СПбГУ кандидат биологических наук Алексей Потехин

«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 ученый.

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.