Le sexe n'est pas pour la progéniture: les scientifiques ont déchiffré les mécanismes génétiques du processus sexuel des ciliés Paramecium

Le processus sexuel chez les ciliés est un phénomène unique dans le monde des êtres vivants. Ils n'ont pas de relations sexuelles pour la reproduction ou le plaisir, leur objectif est d'augmenter la diversité génétique. Des scientifiques de l'Université d'État de Saint-Pétersbourg, avec des collègues de Pologne et de France, ont étudié le processus sexuel chez cinq espèces de ciliés du groupe Paramecium aurelia et ont pu découvrir les mécanismes génétiques cachés derrière ce phénomène. Les résultats sont publiés dans la prestigieuse revue scientifique Genome Biology and Evolution.

Le processus sexuel est l'un des mécanismes les plus importants pour maintenir la diversité génétique des êtres vivants. L'émergence du système sexuel s'est avérée être l'étape la plus importante dans l'évolution des eucaryotes. Les ciliés sont les protistes les plus connus avec un système complexe de «sexes» (types d'accouplement). Ils se reproduisent en se divisant en deux, et cette division n'a rien à voir avec le processus sexuel (conjugaison).

Le processus sexuel chez les ciliés est réduit à l'échange de noyaux haploïdes, qui fusionnent, à la suite de quoi chaque participant forme le même génome diploïde. Ensuite, ce génome est stocké dans le noyau «sexuel» (micronoyau) et subit des réarrangements à grande échelle dans le noyau somatique (macronoyau), dans lequel il ne reste pratiquement aucun ADN «indésirable» non codant.

Ainsi, deux cellules entrent en conjugaison et deux cellules restent après son achèvement. Après le processus sexuel, les cellules ne deviennent pas plus grosses, cependant, elles diffèrent déjà de celles qui sont appariées. Premièrement, maintenant ils sont génétiquement identiques, et deuxièmement, leurs génotypes diffèrent de ceux "parentaux".

«Si nous faisons une analogie avec une personne (pour qui le processus sexuel ne conduit pas toujours à la reproduction), nous pouvons l'imaginer comme si après un acte d'amour les deux partenaires sont devenus jumeaux et en même temps sont devenus leurs propres enfants - en fait, ils renaissent », - explique l'un des auteurs de l'étude, professeur au Département de microbiologie de l'Université d'État de Saint-Pétersbourg, candidat aux sciences biologiques Alexei Potekhin.

Depuis plusieurs années, les scientifiques ont étudié les caractéristiques du processus sexuel de cinq types de ciliés du genre Paramecium et ont découvert comment la présence de deux «sexes» est assurée dans des cellules dépourvues de caractéristiques sexuelles. «Les ciliés ne sont pas orthodoxes sur le sexe.

Par exemple, différentes espèces de chaussures Paramecium ont des systèmes multiples et binaires de types d'accouplement. La multitude de types d'accouplement élargit considérablement les possibilités de choix d'un partenaire sexuel - l'essentiel est que ce ne soit pas une cellule du même génotype (avec le même type d'accouplement), et les systèmes binaires sont notre bisexualité habituelle. La pratique a montré que deux sexes suffisent largement », déclare Aleksey Potekhin.

Les ciliés d'un certain nombre d'espèces de Paramécie sont divisés en deux types: pair (E) et impair (O) - très conditionnellement, ils peuvent être appelés représentants de sexes différents, car seules des cellules de types différents entrent dans le processus d'accouplement. Cependant, la manière dont ils se reconnaissent était inconnue depuis longtemps. Le gène mtA, précédemment trouvé dans Paramecium tetraurelia, est la clé. Il code une protéine trouvée sur les cils des cellules du type d'accouplement «pair» lorsque la cellule est prête pour le processus sexuel.

Cette protéine permet à la cellule de reconnaître l'infusorie du second type d'accouplement "étrange", et ces cellules peuvent se connecter les unes aux autres. Le gène mtA fonctionne par deux autres protéines, mtB et mtC, qui codent pour des facteurs de transcription spécifiques pour mtA. Une cellule capable de synthétiser les trois protéines aura le type d'accouplement E, et si quelque chose ne fonctionne pas, alors le type d'accouplement O.

Pour nettoyer le génome somatique de tout ce qui est inutile, les ciliés utilisent le mécanisme de balayage génomique, en utilisant de petits ARN spéciaux, en comparant l'ancien génome manifestement fonctionnel et le nouveau, qui est formé après le processus sexuel. En conséquence, toutes les séquences d'ADN qui n'étaient pas dans l'ancien sont supprimées du nouveau génome, puis l'ancien macronoyau est détruit et le contrôle de la vie cellulaire est transféré au nouveau macronoyau. «Dans le même temps, le génotype des nouveaux noyaux diffère de celui des parents, comme il se doit en raison du processus sexuel», note Alexey Potekhin.

C'est à l'aide de la numérisation génomique que les ciliés de l'espèce Paramecium tetraurelia héritent cytoplasmiquement du type d'accouplement, c'est-à-dire que dans la cellule descendante, il sera le même que chez le parent. Les cellules de type O dans le génome ne possèdent pas de gène mtA actif, car la séquence d'ADN contenant le promoteur (site de départ) et le début du gène mtA présente une similitude accidentelle avec les transposons (les gènes dits sautants, qui font une partie importante de la cellule ADN inutile) et peuvent être retirées du génome du macronoyau si elles ne sont pas nécessaires. Si cela se produit, dans les prochaines générations, cette séquence sera toujours supprimée lors du développement du macronoyau, car elle a déjà été perdue du pochoir. En conséquence, le gène mtA est silencieux et la cellule hérite du type d'accouplement O, explique Aleksey Potekhin.

L'hérédité cytoplasmique des types d'accouplement est également caractéristique de plusieurs espèces sœurs du complexe Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia et P. dodecaurelia. Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont montré que ces espèces, malgré leur relation étroite, utilisent le même mécanisme, mais des moyens différents pour atteindre la bisexualité.

Plusieurs espèces utilisent la même méthode que P. Tetraurelia - une délétion héréditaire épigénétique (ou réarrangement chromosomique) du fragment contenant le promoteur et le début de la séquence du gène mtA. Chez P. sexaurelia, au contraire, la fin du gène mtA subit le même réarrangement «erroné». Chez deux espèces, P. biaurelia et P. septaurelia, différents fragments du gène mtB peuvent être confondus avec de l'ADN «indésirable», sans lequel le gène mtA ne peut pas fonctionner. Le résultat final de ces réarrangements dans tous les cas est l'absence de la protéine mtA et les cellules avec ces délétions auront le type d'accouplement O.

«Quand j'étais étudiant, il y a 25 ans, j'étais étonné que pour un petit groupe d'espèces ciliées, il y ait jusqu'à trois façons d'hériter des types d'accouplement (vous ne trouverez pas une telle diversité chez tous les animaux multicellulaires). Et puis c'était un mystère absolu, puisque personne n'avait la moindre idée de la numérisation génomique ou des gènes des types d'accouplement. Et le fait que notre groupe ait pu apporter une grande contribution à l'étude de ce phénomène me rend fier du résultat scientifique obtenu. C'était une vraie recherche scientifique », souligne Aleksey Potekhin.

Chez une autre espèce, P. tredecaurelia, les types d'accouplement ne sont pas hérités du cytoplasme, mais classiquement - conformément aux lois de Mendel. Les scientifiques ont découvert que la différence entre les clones des types d'accouplement O et E chez cette espèce est la perte d'un nucléotide dans le promoteur du gène mtA dans les clones de type E. Dans le génome de P. tredecaurelia, il n'y a pas de gène mtB fonctionnel, et un autre le facteur de transcription joue son rôle.

Les expériences réalisées ont permis d'établir que le site de liaison de cette inconnue tombe précisément sur la région du promoteur avec une délétion nucléotidique unique, et le gène mtA fonctionne sous un tel promoteur. S'il n'y a pas de délétion, alors le site n'est pas reconnu et le gène mtA ne peut pas être exprimé. Le même site de liaison dans le promoteur du gène mtA est caractéristique de trois autres espèces du complexe Paramecium aurelia, et toutes sont dépourvues du gène mtB.

«Cela signifie que dans l'évolution de ce groupe à plusieurs reprises, il y a eu un passage d'un système de régulation des types d'accouplement à un autre. Avec des décisions différentes, le résultat est toujours le même: dans chaque population naturelle, il devrait y avoir des cellules de deux types d'accouplement. Dans l'évolution de Paramecium, il s'est avéré que tout schéma de maintien de l'hétérosexualité peut être fixé - à la fois avec la participation de différents gènes et en supposant des réarrangements différents au sein des mêmes gènes. Cela montre à quel point le processus sexuel est important même pour les organismes unicellulaires », souligne Aleksey Potekhin.

L'étude a été soutenue par la subvention RFBR 19-04-00710a.