Sex ist nicht zum Wohle der Nachkommen: Wissenschaftler haben die genetischen Mechanismen des sexuellen Prozesses der Ciliaten Paramecium entschlüsselt

Der sexuelle Prozess bei Ciliaten ist ein einzigartiges Phänomen in der Welt der Lebewesen. Sie haben keinen Sex zum Zwecke der Fortpflanzung oder des Vergnügens, ihr Ziel ist es, die genetische Vielfalt zu erhöhen. Wissenschaftler der St. Petersburg State University untersuchten zusammen mit Kollegen aus Polen und Frankreich den sexuellen Prozess bei fünf Arten von Ciliaten aus der Paramecium aurelia-Gruppe und konnten herausfinden, welche genetischen Mechanismen hinter diesem Phänomen verborgen sind. Die Ergebnisse werden in der renommierten Fachzeitschrift Genome Biology and Evolution veröffentlicht.

Der sexuelle Prozess ist einer der wichtigsten Mechanismen zur Erhaltung der genetischen Vielfalt von Lebewesen. Die Entstehung des Sexualsystems erwies sich als der wichtigste Schritt in der Entwicklung der Eukaryoten. Ciliaten sind die bekanntesten Protisten mit einem komplexen System von "Geschlechtern" (Paarungstypen). Sie vermehren sich durch Halbierung, und diese Teilung hat nichts mit dem sexuellen Prozess (Konjugation) zu tun.

Der sexuelle Prozess bei Ciliaten reduziert sich auf den Austausch von haploiden Kernen, die verschmelzen, wodurch jeder Teilnehmer das gleiche diploide Genom bildet. Dann wird dieses Genom im "sexuellen" Kern (Mikronukleus) gespeichert und im somatischen Kern (Makronukleus) großflächig umgelagert, wobei praktisch keine nicht-kodierende "Junk" -DNA übrig bleibt.

Somit gehen zwei Zellen eine Konjugation ein und zwei Zellen verbleiben nach ihrer Fertigstellung. Nach dem sexuellen Prozess werden die Zellen nicht größer, sie unterscheiden sich jedoch bereits von denen, die gepaart sind. Erstens sind sie jetzt genetisch identisch, und zweitens unterscheiden sich ihre Genotypen von den "elterlichen".

„Wenn wir eine Analogie mit einer Person ziehen (für die der sexuelle Prozess auch nicht immer zur Fortpflanzung führt), können wir uns vorstellen, dass beide Partner nach einem Liebesakt Zwillinge wurden und gleichzeitig ihre eigenen Kinder wurden - Tatsächlich wurden sie wiedergeboren “, erklärt einer der Autoren der Studie, Professor am Institut für Mikrobiologie der Staatlichen Universität St. Petersburg, Kandidat für Biowissenschaften Alexei Potekhin.

Seit mehreren Jahren untersuchen Wissenschaftler die Merkmale des Sexualprozesses von fünf Arten von Ciliaten aus der Gattung Paramecium und haben herausgefunden, wie die Anwesenheit von zwei "Geschlechtern" in Zellen ohne sexuelle Merkmale sichergestellt wird. „Die Ciliaten sind nicht orthodox in Bezug auf Sex.

Beispielsweise haben verschiedene Paramecium-Schuharten mehrere und binäre Systeme von Paarungstypen. Die Vielzahl der Paarungstypen erweitert die Möglichkeiten zur Auswahl eines Sexualpartners erheblich - Hauptsache, es handelt sich nicht um eine Zelle desselben Genotyps (mit demselben Paarungstyp), und binäre Systeme sind unsere übliche Bisexualität. Die Praxis hat gezeigt, dass zwei Geschlechter völlig ausreichen “, sagt Aleksey Potekhin.

Die Ciliaten einer Reihe von Paramecium-Arten werden in zwei Typen unterteilt: gerade (E) und ungerade (O) - sehr bedingt können sie als Vertreter verschiedener Geschlechter bezeichnet werden, da nur Zellen verschiedener Typen in den Paarungsprozess eintreten. Wie sie sich jedoch erkennen, war lange Zeit unbekannt. Das zuvor in Paramecium tetraurelia gefundene mtA-Gen ist der Schlüssel. Es codiert ein Protein, das sich auf den Zilien von Zellen des "gleichmäßigen" Paarungstyps befindet, wenn die Zelle für den sexuellen Prozess bereit ist.

Dieses Protein ermöglicht es der Zelle, die Infusorien des zweiten "ungeraden" Paarungstyps zu erkennen, und solche Zellen können sich miteinander verbinden. Das mtA-Gen arbeitet mit zwei anderen Proteinen, mtB und mtC, die spezifische Transkriptionsfaktoren für mtA codieren. Eine Zelle, die in der Lage ist, alle drei Proteine ​​zu synthetisieren, hat den Paarungstyp E, und wenn etwas nicht funktioniert, dann den Paarungstyp O.

Um das somatische Genom von allem Unnötigen zu reinigen, verwenden Ciliaten den genomischen Scanmechanismus, indem sie spezielle kleine RNAs verwenden, um das alte, offensichtlich funktionierende Genom mit dem neuen zu vergleichen, das nach dem sexuellen Prozess gebildet wird. Infolgedessen werden alle DNA-Sequenzen, die nicht in der alten vorhanden waren, aus dem neuen Genom entfernt, dann wird der alte Makronukleus zerstört und die Kontrolle des Zelllebens wird auf den neuen Makronukleus übertragen. "Gleichzeitig unterscheidet sich der Genotyp der neuen Kerne vom elterlichen, wie es aufgrund des sexuellen Prozesses sein sollte", bemerkt Alexey Potekhin.

Mit Hilfe des genomischen Scannens erben Ciliaten der Art Paramecium tetraurelia zytoplasmatisch die Art der Paarung, dh in der Nachkommenzelle ist sie dieselbe wie in der Elternzelle. Zellen mit dem Paarungstyp O im Genom haben kein funktionierendes mtA-Gen, da die DNA-Sequenz, die den Promotor (Startstelle) und den Beginn des mtA-Gens enthält, eine zufällige Ähnlichkeit mit Transposons (den sogenannten springenden Genen, die machen) aufweist einen signifikanten Teil der unnötigen DNA-Zelle) und kann als unnötig aus dem Makronukleus-Genom entfernt werden. In diesem Fall wird diese Sequenz in den nächsten Generationen während der Entwicklung des Makronukleus immer gelöscht, da sie bereits aus der Schablone verloren gegangen ist. Infolgedessen ist das mtA-Gen still und die Zelle erbt die Art der Paarung O, sagt Aleksey Potekhin.

Die zytoplasmatische Vererbung von Paarungstypen ist auch charakteristisch für mehrere Geschwisterarten des Paramecium aurelia-Komplexes: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia und P. dodecaurelia. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler gezeigt, dass diese Arten trotz ihrer engen Beziehung denselben Mechanismus verwenden, aber unterschiedliche Wege, um Bisexualität zu erreichen.

Mehrere Arten verwenden dieselbe Methode wie P. Tetraurelia - eine epigenetisch vererbte Deletion (oder chromosomale Umlagerung) des Fragments, das den Promotor und den Beginn der mtA-Gensequenz enthält. Im Gegensatz dazu unterliegt bei P. sexaurelia das Ende des mtA-Gens der gleichen "fehlerhaften" Umlagerung. Bei zwei Arten, P. biaurelia und P. septaurelia, können unterschiedliche Fragmente des mtB-Gens mit "Junk" -DNA verwechselt werden, ohne die das mtA-Gen nicht funktionieren kann. Das Endergebnis solcher Umlagerungen ist in allen Fällen das Fehlen des mtA-Proteins, und Zellen mit diesen Deletionen haben den Paarungstyp O.

„Als ich vor 25 Jahren Student war, war ich erstaunt, dass es für eine kleine Gruppe von Ciliatenarten bis zu drei Möglichkeiten gibt, Paarungstypen zu erben (eine solche Vielfalt gibt es nicht bei allen mehrzelligen Tieren). Und dann war es ein absolutes Rätsel, da niemand eine Ahnung von genomischem Scannen oder Genen für Paarungstypen hatte. Und die Tatsache, dass unsere Gruppe einen großen Beitrag zur Erforschung dieses Phänomens leisten konnte, macht mich stolz auf das wissenschaftliche Ergebnis. Es war eine echte wissenschaftliche Suche “, betont Aleksey Potekhin.

Bei einer anderen Art, P. tredecaurelia, werden Paarungstypen nicht vom Zytoplasma, sondern klassisch vererbt - gemäß den Mendelschen Gesetzen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Unterschied zwischen Klonen des O- und E-Paarungstyps in dieser Spezies der Verlust eines Nukleotids im mtA-Genpromotor in Typ E-Klonen ist. Im Genom von P. tredecaurelia gibt es kein funktionelles mtB-Gen und ein anderes Transkriptionsfaktor spielt seine Rolle.

Die durchgeführten Experimente ermöglichten es festzustellen, dass die Bindungsstelle dieses unbekannten Faktors mit einer einzelnen Nucleotid-Deletion genau auf die Region des Promotors fällt und das mtA-Gen unter einem solchen Promotor arbeitet. Wenn keine Deletion vorliegt, wird die Stelle nicht erkannt und das mtA-Gen kann nicht exprimiert werden. Die gleiche Bindungsstelle im mtA-Genpromotor ist charakteristisch für drei weitere Arten des Paramecium aurelia-Komplexes, und allen fehlt das mtB-Gen.

„Dies bedeutet, dass in der Entwicklung dieser Gruppe mehrmals von einem System zur Regulierung der Paarungstypen zu einem anderen gewechselt wurde. Bei unterschiedlichen Entscheidungen ist das Ergebnis immer das gleiche: In jeder natürlichen Population sollten Zellen mit zwei Arten der Paarung vorhanden sein. Wie sich herausstellte, kann in der Entwicklung von Paramecium jedes Schema zur Aufrechterhaltung der Heterosexualität festgelegt werden - sowohl unter Beteiligung verschiedener Gene als auch unter der Annahme unterschiedlicher Umlagerungen innerhalb derselben Gene. Dies zeigt, wie wichtig der sexuelle Prozess auch für einzellige Organismen ist “, betont Aleksey Potekhin.

Die Studie wurde durch den RFBR-Zuschuss 19-04-00710a unterstützt.