セックスは子孫のためではありません：科学者は繊毛虫ゾウリムシの性的プロセスの遺伝的メカニズムを解読しました

繊毛虫の性的プロセスは、生物の世界では独特の現象です。彼らは生殖や喜びのためにセックスをしていません。彼らの目標は遺伝的多様性を高めることです。サンクトペテルブルク州立大学の科学者は、ポーランドとフランスの同僚とともに、ゾウリムシグループの5種の繊毛虫の性的プロセスを研究し、この現象の背後に隠されている遺伝的メカニズムを見つけることができました。結果は、一流の科学雑誌Genome Biology andEvolutionに掲載されています。

性的プロセスは、生物の遺伝的多様性を維持するための最も重要なメカニズムの1つです。性システムの出現は、真核生物の進化における最も重要なステップであることが判明しました。繊毛虫は、「性別」（交配型）の複雑なシステムを持つ最も有名な原生生物です。それらは半分に分割することによって繁殖し、この分割は性的プロセス（活用）とは何の関係もありません。

繊毛虫の性的プロセスは一倍体核の交換に還元され、それらは融合し、その結果、各参加者は同じ二倍体ゲノムを形成します。次に、このゲノムは「性的」核（小核）に保存され、体細胞核（大核）で大規模な再配列を受けます。この場合、非コード「ジャンク」DNAはほとんど残りません。

したがって、2つの細胞が接合に入り、2つの細胞がその完了後に残ります。性的プロセスの後、細胞は大きくなりませんが、それらはすでに対になっているものとは異なります。第一に、今ではそれらは遺伝的に同一であり、第二に、それらの遺伝子型は「親」のものとは異なります。

「私たちが人（性的プロセスも必ずしも生殖につながるとは限らない）とのアナロジーを描くと、愛の行為の後に両方のパートナーが双子になり、同時に自分の子供に変わったかのように想像できます-実際、彼らは生まれ変わった」と、研究の著者の一人であるサンクトペテルブルク州立大学微生物学部の教授、生物科学の候補者であるAlexeiPotekhinは説明している。

科学者たちは数年間、ゾウリムシ属の5種類の繊毛虫の性的プロセスの特徴を研究し、性的特徴を持たない細胞で2つの「性別」の存在がどのように確保されるかを発見しました。 「繊毛虫は性について正統ではありません。

たとえば、さまざまなゾウリムシの靴の種には、交配タイプの複数のバイナリシステムがあります。多数の交配タイプは、性的パートナーを選択する可能性を大幅に拡大します-主なことは、それが同じ遺伝子型（同じ交配タイプ）の細胞ではなく、バイナリシステムが私たちの通常の両性愛であるということです。実践により、2つの性別で十分であることが示されています」とAlekseyPotekhinは言います。

多くのゾウリムシ種の繊毛虫は、偶数（E）と奇数（O）の2つのタイプに分けられます。非常に条件付きで、異なるタイプの細胞のみが交配プロセスに入るため、異なる性別の代表と呼ぶことができます。しかし、彼らがお互いをどのように認識するかは長い間知られていませんでした。以前にParameciumtetraureliaで見つかったmtA遺伝子が鍵となります。それは、細胞が性的プロセスの準備ができているときに、「偶数」交配型の細胞の繊毛に見られるタンパク質をコードします。

このタンパク質は、細胞が2番目の「奇妙な」タイプの交配の注入を認識することを可能にし、そのような細胞は互いに接続することができます。 mtA遺伝子は、mtAの特定の転写因子をコードするmtBとmtCという他の2つのタンパク質によって機能します。 3つのタンパク質すべてを合成できる細胞は、交配型Eを持ち、何かがうまくいかない場合は、交配型Oを持ちます。

不要なすべての体細胞ゲノムを浄化するために、繊毛虫は特別な低分子RNAを使用してゲノムスキャンメカニズムを使用し、古い、明らかに機能しているゲノムと性的プロセスの後に形成される新しいゲノムを比較します。その結果、古いものになかったすべてのDNA配列が新しいゲノムから削除され、古い大核が破壊され、細胞の生命の制御が新しい大核に移されます。 「同時に、新しい核の遺伝子型は、性的プロセスの結果であるはずなので、親とは異なります」とAlexeyPotekhin氏は述べています。

Paramecium tetraurelia種の繊毛虫が細胞質的に交配のタイプを継承するのは、ゲノムスキャンの助けを借りてです。つまり、子孫細胞では親と同じになります。プロモーター（開始部位）とmtA遺伝子の始まりを含むDNA配列がトランスポゾン（いわゆるジャンピング遺伝子）と偶然に類似しているため、ゲノム内で交配タイプOの細胞は機能するmtA遺伝子を持っていません。不要なDNA細胞のかなりの部分をアップ）、不要なものとして大核ゲノムから削除することができます。これが発生した場合、次の世代では、このシーケンスはすでにステンシルから失われているため、大核の開発中に常に削除されます。その結果、mtA遺伝子はサイレントであり、細胞は交配Oのタイプを継承しているとAlekseyPotekhinは言います。

交配型の細胞質遺伝は、ゾウリムシ複合体のいくつかの兄弟種の特徴でもあります：P。biaurelia、P。sexaurelia、P。septaurelia、P。octaurelia、P。decaurelia、およびP.dodecaurelia。新しい研究では、科学者は、これらの種が密接な関係にもかかわらず、同じメカニズムを使用しているが、両性愛を達成するために異なる方法を使用していることを示しました。

いくつかの種は、P。Tetraureliaと同じ方法を使用します—プロモーターとmtA遺伝子配列の始まりを含むフラグメントのエピジェネティックに継承された欠失（または染色体再配列）。逆に、P。sexaureliaでは、mtA遺伝子の末端が同じ「誤った」再配列を受けます。 P.biaureliaとP.septaureliaの2種では、mtB遺伝子の異なるフラグメントが「ジャンク」DNAと間違えられる可能性があり、それがないとmtA遺伝子は機能しません。すべての場合におけるそのような再配列の最終結果は、mtAタンパク質の欠如であり、これらの欠失を有する細胞は、交配型Oを有するであろう。

「私が学生だったとき、25年前、繊毛虫種の小さなグループには、交配タイプを継承する方法が3つもあることに驚いていました（すべての多細胞動物にそのような多様性は見られません）。そして、それは絶対的な謎でした。なぜなら、ゲノムスキャンや交配型の遺伝子の手がかりを誰も持っていなかったからです。そして、私たちのグループがこの現象の研究に多大な貢献をすることができたという事実は、得られた科学的結果を誇りに思います。それは本当の科学的調査でした」とアレクセイ・ポテキンは強調します。

別の種であるP.tredecaureliaでは、交配型は細胞質ではなく、古典的に、メンデルの法則に従って継承されます。科学者たちは、この種のOとEの交配型のクローンの違いは、E型クローンのmtA遺伝子プロモーターの1つのヌクレオチドの喪失であることを発見しました。P.tredecaureliaのゲノムには、機能的なmtB遺伝子がなく、別の転写因子がその役割を果たします。

実施された実験により、この未知の因子の結合部位が一塩基欠失を伴うプロモーターの領域に正確に位置し、mtA遺伝子がそのようなプロモーターの下から機能することを確立することが可能になりました。欠失がない場合、その部位は認識されず、mtA遺伝子は発現できません。 mtA遺伝子プロモーターの同じ結合部位は、ゾウリムシ複合体のさらに3種の特徴であり、それらはすべてmtB遺伝子を欠いています。

「これは、このグループの進化の中で、交配タイプの規制のあるシステムから別のシステムへの切り替えが数回あったことを意味します。異なる決定をしても、結果は常に同じです。各自然集団には、2種類の交配の細胞が存在するはずです。ゾウリムシの進化では、異性愛を維持するためのあらゆるスキームを修正することができます-異なる遺伝子の参加と同じ遺伝子内の異なる再配列の両方を想定しています。これは、単細胞生物にとってさえ性的プロセスがいかに重要であるかを示しています」とアレクセイ・ポテキンは強調します。

この研究は、RFBR助成金19-04-00710aによってサポートされました。