Il sesso non è per il bene della prole: gli scienziati hanno decifrato i meccanismi genetici del processo sessuale dei ciliati Paramecium

Il processo sessuale nei ciliati è un fenomeno unico nel mondo degli esseri viventi. Non fanno sesso per motivi di riproduzione o piacere, il loro obiettivo è aumentare la diversità genetica. Scienziati dell'Università statale di San Pietroburgo, insieme a colleghi polacchi e francesi, hanno studiato il processo sessuale in cinque specie di ciliati del gruppo Paramecium aurelia e sono stati in grado di scoprire quali meccanismi genetici si nascondono dietro questo fenomeno. I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Genome Biology and Evolution.

Il processo sessuale è uno dei meccanismi più importanti per mantenere la diversità genetica degli esseri viventi. L'emergere del sistema sessuale si è rivelato il passo più importante nell'evoluzione degli eucarioti. I ciliati sono i protisti più famosi con un complesso sistema di "sessi" (tipi di accoppiamento). Si riproducono dividendosi a metà e questa divisione non ha nulla a che fare con il processo sessuale (coniugazione).

Il processo sessuale nei ciliati è ridotto allo scambio di nuclei aploidi, che si fondono, a seguito del quale ogni partecipante forma lo stesso genoma diploide. Quindi questo genoma viene immagazzinato nel nucleo "sessuale" (micronucleo) e subisce riarrangiamenti su larga scala nel nucleo somatico (macronucleo), in cui praticamente non rimane DNA "spazzatura" non codificante.

Pertanto, due cellule entrano nella coniugazione e due cellule rimangono dopo il suo completamento. Dopo il processo sessuale, le cellule non diventano più grandi, tuttavia differiscono già da quelle accoppiate. In primo luogo, ora sono geneticamente identici e, in secondo luogo, i loro genotipi differiscono da quelli "parentali".

“Se tracciamo un'analogia con una persona (per la quale anche il processo sessuale non sempre porta alla riproduzione), possiamo immaginarla come se dopo un atto d'amore entrambi i partner diventassero gemelli e allo stesso tempo si trasformassero nei propri figli - infatti, sono rinati ”, - spiega uno degli autori dello studio, Professore del Dipartimento di Microbiologia dell'Università Statale di San Pietroburgo, Candidato di Scienze Biologiche Alexei Potekhin.

Per diversi anni, gli scienziati hanno studiato le caratteristiche del processo sessuale di cinque tipi di ciliati del genere Paramecium e hanno scoperto come la presenza di due "sessi" è assicurata nelle cellule che non hanno caratteristiche sessuali. “I ciliati non sono ortodossi riguardo al sesso.

Ad esempio, diverse specie di scarpe Paramecium hanno sistemi multipli e binari di tipi di accoppiamento. La moltitudine di tipi di accoppiamento amplia in modo significativo le possibilità di scegliere un partner sessuale: la cosa principale è che non è una cellula dello stesso genotipo (con lo stesso tipo di accoppiamento) ei sistemi binari sono la nostra solita bisessualità. La pratica ha dimostrato che due sessi sono abbastanza ", dice Aleksey Potekhin.

I ciliati di un certo numero di specie di Paramecium sono divisi in due tipi: pari (E) e dispari (O) - molto condizionatamente possono essere chiamati rappresentanti di sessi diversi, poiché solo cellule di tipi diversi entrano nel processo di accoppiamento. Tuttavia, il modo in cui si riconoscono è rimasto sconosciuto per molto tempo. Il gene mtA, precedentemente trovato in Paramecium tetraurelia, è la chiave. Codifica una proteina che si trova sulle ciglia delle cellule del tipo di accoppiamento "uniforme" quando la cellula è pronta per il processo sessuale.

Questa proteina consente alla cellula di riconoscere gli infusori del secondo tipo "strano" di accoppiamento e tali cellule possono connettersi tra loro. Il gene mtA funziona con altre due proteine, mtB e mtC, che codificano fattori di trascrizione specifici per mtA. Una cellula in grado di sintetizzare tutte e tre le proteine ​​avrà il tipo di accoppiamento E e se qualcosa non funziona, il tipo di accoppiamento O.

Per ripulire il genoma somatico da tutto ciò che non è necessario, i ciliati utilizzano il meccanismo di scansione genomica, utilizzando speciali piccoli RNA, confrontando il vecchio genoma, ovviamente funzionante, e quello nuovo, che si forma dopo il processo sessuale. Di conseguenza, tutte le sequenze di DNA che non erano nel vecchio vengono rimosse dal nuovo genoma, quindi il vecchio macronucleo viene distrutto e il controllo della vita cellulare viene trasferito al nuovo macronucleo. "Allo stesso tempo, il genotipo dei nuovi nuclei differisce da quello genitoriale, come dovrebbe essere il risultato del processo sessuale", osserva Alexey Potekhin.

È con l'aiuto della scansione genomica che i ciliati della specie Paramecium tetraurelia ereditano citoplasmaticamente il tipo di accoppiamento, cioè nella cellula discendente sarà lo stesso del genitore. Le cellule con accoppiamento di tipo O nel genoma non hanno un gene mtA funzionante, poiché la sequenza di DNA contenente il promotore (sito iniziale) e l'inizio del gene mtA ha una somiglianza accidentale con i trasposoni (i cosiddetti geni saltanti, che fanno su una parte significativa della cellula di DNA non necessaria) e può essere rimosso dal genoma del macronucleo se non necessario. Se ciò accade, nelle prossime generazioni questa sequenza verrà sempre eliminata durante lo sviluppo del macronucleo, perché è già stata persa dallo stencil. Di conseguenza, il gene mtA è silente e la cellula eredita il tipo di accoppiamento O, afferma Aleksey Potekhin.

L'ereditarietà citoplasmatica dei tipi di accoppiamento è anche caratteristica di diverse specie fratelli del complesso Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia e P. dodecaurelia. In un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che queste specie, nonostante la loro stretta relazione, utilizzano lo stesso meccanismo, ma modi diversi per raggiungere la bisessualità.

Diverse specie utilizzano lo stesso metodo di P. Tetraurelia: una delezione (o riarrangiamento cromosomico) ereditata epigeneticamente del frammento contenente il promotore e l'inizio della sequenza del gene mtA. In P. sexaurelia, al contrario, l'estremità del gene mtA subisce lo stesso riarrangiamento "errato". In due specie, P. biaurelia e P. septaurelia, diversi frammenti del gene mtB possono essere scambiati per DNA "spazzatura", senza il quale il gene mtA non può funzionare. Il risultato finale di tali riarrangiamenti in tutti i casi è l'assenza della proteina mtA e le cellule con queste delezioni avranno il tipo di accoppiamento O.

“Quando ero uno studente, 25 anni fa, ero stupito che per un piccolo gruppo di specie cigliate ci fossero fino a tre modi di ereditare i tipi di accoppiamento (non troverai tale diversità in tutti gli animali multicellulari). E poi era un mistero assoluto, dal momento che nessuno aveva la minima idea né della scansione genomica né dei geni per i tipi di accoppiamento. E il fatto che il nostro gruppo abbia potuto dare un grande contributo allo studio di questo fenomeno mi rende orgoglioso del risultato scientifico ottenuto. È stata una vera ricerca scientifica ", sottolinea Aleksey Potekhin.

In un'altra specie, P. tredecaurelia, i tipi di accoppiamento non sono ereditati dal citoplasma, ma classicamente, in conformità con le leggi di Mendel. Gli scienziati hanno scoperto che la differenza tra i cloni dei tipi di accoppiamento O ed E in questa specie è la perdita di un nucleotide nel promotore del gene mtA nei cloni di tipo E. Nel genoma di P. tredecaurelia, non esiste un gene mtB funzionale e un altro fattore di trascrizione gioca il suo ruolo.

Gli esperimenti effettuati hanno permesso di stabilire che il sito di legame di questo fattore sconosciuto ricade proprio sulla regione del promotore con delezione di un singolo nucleotide, e il gene mtA agisce da sotto tale promotore. Se non c'è delezione, il sito non viene riconosciuto e il gene mtA non può essere espresso. Lo stesso sito di legame nel promotore del gene mtA è caratteristico di altre tre specie del complesso Paramecium aurelia e tutte mancano del gene mtB.

“Ciò significa che nell'evoluzione di questo gruppo più volte si è passati da un sistema di regolazione dei tipi di accoppiamento a un altro. Con decisioni diverse, il risultato è sempre lo stesso: in ogni popolazione naturale dovrebbero esserci cellule di due tipi di accoppiamento. Nell'evoluzione del Paramecium, come si è scoperto, qualsiasi schema per mantenere l'eterosessualità può essere fissato, sia con la partecipazione di geni diversi che assumendo diversi riarrangiamenti all'interno degli stessi geni. Questo mostra quanto sia importante il processo sessuale anche per gli organismi unicellulari ", sottolinea Aleksey Potekhin.

Lo studio è stato sostenuto dalla sovvenzione RFBR 19-04-00710a.