성관계는 자손을위한 것이 아닙니다 : 과학자들은 섬모 류 Paramecium의 성적인 과정의 유전 적 메커니즘을 해독했습니다

섬모의 성적인 과정은 생명체 세계에서 독특한 현상입니다. 그들은 번식이나 즐거움을 위해 성관계를 갖지 않으며 그들의 목표는 유전 적 다양성을 증가시키는 것입니다. 상트 페테르부르크 주립 대학의 과학자들은 폴란드와 프랑스의 동료들과 함께 Paramecium aurelia 그룹의 섬모 5 종의 성적인 과정을 연구했으며이 현상 뒤에 숨겨진 유전 적 메커니즘을 알아낼 수있었습니다. 그 결과는 권위있는 과학 저널 인 Genome Biology and Evolution에 게재되었습니다.

성적 과정은 생명체의 유전 적 다양성을 유지하는 가장 중요한 메커니즘 중 하나입니다. 성 시스템의 출현은 진핵 생물의 진화에서 가장 중요한 단계로 밝혀졌습니다. 섬모는 "성관계"(짝짓기 유형)의 복잡한 체계를 가진 가장 유명한 원생 생물입니다. 그들은 반으로 나누어 번식하며,이 구분은 성적 과정 (활용)과는 아무 관련이 없습니다.

섬모의 성적인 과정은 합쳐진 반수체 핵의 교환으로 축소되어 각 참가자가 동일한 2 배체 게놈을 형성합니다. 그런 다음이 게놈은 "성"핵 (소핵)에 저장되고 체세포 핵 (거대 핵)에서 대규모 재 배열을 거치며, 실제로 비 코딩 "정크"DNA는 남아 있지 않습니다.

따라서 두 개의 세포가 접합에 들어가고 두 개의 세포가 완료 후 남아 있습니다. 성적 과정 후에 세포는 더 커지지 않지만 이미 쌍을 이룬 세포와 다릅니다. 첫째, 이제 그들은 유 전적으로 동일하고 둘째, 그들의 유전형이 "부모"와 다릅니다.

“우리가 한 사람 (성적 과정이 항상 번식으로 이어지지는 않음)과 비유를 그린다면, 사랑의 행위 후에 두 파트너가 쌍둥이가되어 동시에 자신의 자녀로 변한 것처럼 상상할 수 있습니다. 실제로 그들은 다시 태어났습니다.”-이 연구의 저자 중 한 명인 상트 페테르부르크 주립대 학교 미생물학과 교수 인 알렉세이 포 테킨 (Alexei Potekhin)은 설명합니다.

몇 년 동안 과학자들은 Paramecium 속의 섬모 5 가지 유형의 성적인 과정의 특징을 연구했으며 성적인 특징이없는 세포에서 두 개의 "성"의 존재가 어떻게 보장되는지 알아 냈습니다. “섬모는성에 대해 정통적이지 않습니다.

예를 들어, 다른 Paramecium 신발 종은 짝짓기 유형의 다중 및 이진 시스템을 가지고 있습니다. 다양한 짝짓기 유형은 성적 파트너를 선택할 가능성을 크게 확장합니다. 가장 중요한 것은 동일한 유전자형 (동일한 짝짓기 유형을 가진)의 세포가 아니며 이원 시스템이 우리의 일반적인 양성애라는 것입니다. 연습은 두 성별로 충분하다는 것을 보여주었습니다.”라고 Aleksey Potekhin은 말합니다.

여러 Paramecium 종의 섬모는 짝수 (E)와 홀수 (O)의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 매우 조건부로 서로 다른 유형의 세포 만 짝짓기 과정에 들어가기 때문에 서로 다른 성별의 대표자라고 할 수 있습니다. 그러나 그들이 서로를 어떻게 인식하는지는 오랫동안 알려지지 않았습니다. 이전에 Paramecium tetraurelia에서 발견 된 mtA 유전자가 핵심입니다. 그것은 세포가 성적인 과정을 할 준비가되었을 때 "짝수"짝짓기 유형의 세포의 섬모에서 발견되는 단백질을 암호화합니다.

이 단백질은 세포가 두 번째 "이상한"유형의 교배의 infusoria를 인식 할 수 있도록하여 이러한 세포는 서로 연결될 수 있습니다. mtA 유전자는 mtA에 대한 특정 전사 인자를 암호화하는 두 개의 다른 단백질 인 mtB 및 mtC에 의해 작동합니다. 세 가지 단백질을 모두 합성 할 수있는 세포는 교배 유형 E를 가지며, 무언가가 작동하지 않으면 교배 유형 O를 갖게됩니다.

불필요한 모든 체세포 게놈을 정화하기 위해 섬모는 특수한 작은 RNA를 사용하여 게놈 스캐닝 메커니즘을 사용하여 분명히 작동하는 이전 게놈과 성 과정 후에 형성된 새로운 게놈을 비교합니다. 그 결과, 이전에 존재하지 않았던 모든 DNA 염기 서열이 새로운 게놈에서 제거되고 이전 거대 핵이 파괴되고 세포 생명의 통제가 새로운 거대 핵으로 옮겨집니다. "동시에, 새로운 핵의 유전형은 성적 과정의 결과 여야하기 때문에 부모의 것과 다릅니다"라고 Alexey Potekhin은 말합니다.

Paramecium tetraurelia 종의 섬모가 세포질 적으로 짝짓기 유형을 상속하는 것은 게놈 스캔의 도움으로, 즉 자손 세포에서 부모와 동일합니다. 게놈에서 짝짓기 유형 O를 가진 세포는 작동하는 mtA 유전자를 갖지 않습니다. 불필요한 DNA 세포의 상당 부분을 차지함) 거대 핵 게놈에서 불필요하게 제거 될 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 다음 세대에서이 시퀀스는 이미 스텐실에서 손실 되었기 때문에 거대 핵이 개발되는 동안 항상 삭제됩니다. 결과적으로 mtA 유전자는 침묵하고 세포는 짝짓기 O 유형을 상속한다고 Aleksey Potekhin은 말합니다.

짝짓기 유형의 세포질 유전은 또한 Paramecium aurelia 복합체의 여러 형제 종 (P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia, P. dodecaurelia)의 특징입니다. 새로운 연구에서 과학자들은이 종들이 밀접한 관계에도 불구하고 동일한 메커니즘을 사용하지만 양성애를 달성하는 다른 방법을 사용한다는 것을 보여주었습니다.

몇몇 종은 P. Tetraurelia와 동일한 방법을 사용합니다. 프로모터와 mtA 유전자 서열의 시작을 포함하는 단편의 후성 유 전적으로 유전 된 결실 (또는 염색체 재 배열)입니다. 반대로 P. sexaurelia에서는 mtA 유전자의 끝이 동일한 "잘못된"재 배열을 겪습니다. P. biaurelia와 P. septaurelia의 두 종에서 mtB 유전자의 다른 단편은 mtA 유전자가 기능 할 수없는 "정크"DNA로 오인 될 수 있습니다. 모든 경우에 이러한 재배 열의 최종 결과는 mtA 단백질의 부재이며, 이러한 결실을 가진 세포는 교배 유형 O를 갖게됩니다.

“25 년 전 제가 학생이었을 때, 섬 모종의 작은 그룹에 세 가지 방법으로 짝짓기 유형을 상속한다는 사실에 놀랐습니다 (모든 다세포 동물에서 이러한 다양성을 찾을 수는 없습니다). 그리고 그 누구도 게놈 스캐닝이나 짝짓기 유형에 대한 유전자에 대한 단서를 가지고 있지 않았기 때문에 그것은 절대적인 미스터리였습니다. 그리고 우리 그룹이이 현상에 대한 연구에 큰 공헌을 할 수 있었다는 사실은 제가 얻은 과학적 결과를 자랑스럽게 생각합니다. Aleksey Potekhin은 실제 과학적 검색이었습니다.

다른 종인 P. tredecaurelia에서는 짝짓기 유형이 세포질이 아니라 고전적으로 Mendel의 법칙에 따라 유전됩니다. 과학자들은이 종에서 O 형과 E 형 짝짓기 유형의 클론 간의 차이는 E 형 클론의 mtA 유전자 프로모터에서 하나의 뉴클레오티드가 손실된다는 것을 발견했습니다 .P. tredecaurelia의 게놈에는 기능적인 mtB 유전자가없고 다른 하나는 전사 인자가 그 역할을합니다.

수행 된 실험은이 알려지지 않은 인자의 결합 부위가 단일 뉴클레오타이드 결실로 프로모터 영역에 정확하게 떨어지고 mtA 유전자가 그러한 프로모터 아래에서 작동 함을 입증하는 것을 가능하게했다. 결실이 없으면 해당 부위가 인식되지 않고 mtA 유전자가 발현되지 않습니다. mtA 유전자 프로모터의 동일한 결합 부위는 Paramecium aurelia 복합체의 세 종 이상의 특징이며 모두 mtB 유전자가 없습니다.

“이것은이 그룹의 진화 과정에서 짝짓기 유형에 대한 하나의 규제 시스템에서 다른 시스템으로 여러 번 전환되었다는 것을 의미합니다. 다른 결정으로 결과는 항상 동일합니다. 각 자연 개체군에는 두 가지 유형의 짝짓기 세포가 있어야합니다. Paramecium의 진화에서 밝혀진 바와 같이, 이성애를 유지하기위한 계획은 서로 다른 유전자의 참여와 동일한 유전자 내에서 서로 다른 재 배열을 가정하여 고정 될 수 있습니다. 이것은 단세포 유기체에게조차 성적인 과정이 얼마나 중요한지를 보여줍니다.”라고 Aleksey Potekhin은 강조합니다.

이 연구는 RFBR 보조금 19-04-00710a에 의해 지원되었습니다.