O sexo não é para o benefício da prole: os cientistas decifraram os mecanismos genéticos do processo sexual dos ciliados Paramecium

O processo sexual nos ciliados é um fenômeno único no mundo dos seres vivos. Eles não fazem sexo por uma questão de reprodução ou prazer, seu objetivo é aumentar a diversidade genética. Cientistas da St. Petersburg State University, junto com colegas da Polônia e da França, estudaram o processo sexual em cinco espécies de ciliados do grupo Paramecium aurelia e foram capazes de descobrir quais mecanismos genéticos estão ocultos por trás desse fenômeno. Os resultados são publicados na prestigiosa revista científica Genome Biology and Evolution.

O processo sexual é um dos mecanismos mais importantes para manter a diversidade genética dos seres vivos. O surgimento do sistema sexual acabou sendo o passo mais importante na evolução dos eucariotos. Os ciliados são os protistas mais famosos com um complexo sistema de "sexos" (tipos de acasalamento). Eles se reproduzem dividindo-se ao meio, e essa divisão nada tem a ver com o processo sexual (conjugação).

O processo sexual nos ciliados é reduzido à troca de núcleos haplóides, que se fundem, fazendo com que cada participante forma o mesmo genoma diplóide. Em seguida, esse genoma é armazenado no núcleo "sexual" (micronúcleo) e sofre rearranjos em larga escala no núcleo somático (macronúcleo), no qual praticamente nenhum DNA "lixo" não codificador permanece.

Assim, duas células entram em conjugação e duas células permanecem após sua conclusão. Após o processo sexual, as células não aumentam de tamanho, porém, já diferem daquelas que estão pareadas. Em primeiro lugar, agora eles são geneticamente idênticos e, em segundo lugar, seus genótipos diferem dos "parentais".

“Se fizermos uma analogia com uma pessoa (para quem o processo sexual também nem sempre leva à reprodução), podemos imaginá-la como se depois de um ato de amor ambos os parceiros se tornassem gêmeos e ao mesmo tempo se tornassem seus próprios filhos - na verdade, eles renasceram ”, - explica um dos autores do estudo, Professor do Departamento de Microbiologia da Universidade Estadual de São Petersburgo, Candidato de Ciências Biológicas Alexei Potekhin.

Durante vários anos, os cientistas estudaram as características do processo sexual de cinco tipos de ciliados do gênero Paramecium e descobriram como a presença de dois "sexos" é garantida em células sem características sexuais. “Os ciliados não são ortodoxos em relação ao sexo.

Por exemplo, diferentes espécies de calçados Paramecium têm sistemas múltiplos e binários de tipos de acasalamento. A multiplicidade de tipos de acasalamento expande significativamente as possibilidades de escolha de um parceiro sexual - o principal é que não é uma célula do mesmo genótipo (com o mesmo tipo de acasalamento), e os sistemas binários são nossa bissexualidade usual. A prática tem mostrado que dois sexos são suficientes ”, diz Aleksey Potekhin.

Os ciliados de várias espécies de Paramecium são divididos em dois tipos: pares (E) e ímpares (O) - muito condicionalmente, eles podem ser chamados de representantes de sexos diferentes, uma vez que apenas células de tipos diferentes entram no processo de acasalamento. No entanto, por muito tempo não se sabe como eles se reconhecem. O gene mtA, anteriormente encontrado em Paramecium tetraurelia, é a chave. Ele codifica uma proteína encontrada nos cílios das células do tipo de acasalamento "uniforme", quando a célula está pronta para o processo sexual.

Essa proteína permite que a célula reconheça os infusórios do segundo tipo "estranho" de acasalamento, e essas células podem se conectar umas com as outras. O gene mtA funciona por duas outras proteínas, mtB e mtC, que codificam fatores de transcrição específicos para mtA. Uma célula que é capaz de sintetizar todas as três proteínas terá o tipo de acasalamento E e, se algo não funcionar, o tipo de acasalamento O.

Para limpar o genoma somático de tudo o que é desnecessário, os ciliados usam o mecanismo de varredura genômica, usando pequenos RNAs especiais, comparando o genoma antigo e obviamente funcional com o novo, que é formado após o processo sexual. Como resultado, todas as sequências de DNA que não estavam no antigo são removidas do novo genoma, então o antigo macronúcleo é destruído e o controle da vida celular é transferido para o novo macronúcleo. “Ao mesmo tempo, o genótipo dos novos núcleos difere do parental, como deveria ser em decorrência do processo sexual”, observa Alexey Potekhin.

É com o auxílio da varredura genômica que os ciliados da espécie Paramecium tetraurelia herdam citoplasmicamente o tipo de acasalamento, ou seja, na célula descendente será o mesmo que na progenitora. As células com tipo de acasalamento O no genoma não têm um gene mtA ativo, uma vez que a sequência de DNA contendo o promotor (local de início) e o início do gene mtA tem uma semelhança acidental com os transposons (os chamados genes saltadores, que uma parte significativa da célula de DNA desnecessária) e pode ser removido do genoma do macronúcleo como desnecessário. Se isso acontecer, então nas próximas gerações essa sequência sempre será deletada durante o desenvolvimento do macronúcleo, pois ela já foi perdida do estêncil. Como resultado, o gene mtA é silencioso e a célula herda o tipo de acasalamento O, diz Aleksey Potekhin.

A herança citoplasmática de tipos de acasalamento também é característica de várias espécies de irmãos do complexo Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia e P. dodecaurelia. Em um novo estudo, os cientistas mostraram que essas espécies, apesar de sua relação próxima, usam o mesmo mecanismo, mas de maneiras diferentes para atingir a bissexualidade.

Várias espécies usam o mesmo método de P. Tetraurelia - uma deleção herdada epigeneticamente (ou rearranjo cromossômico) do fragmento contendo o promotor e o início da sequência do gene mtA. Em P. sexaurelia, ao contrário, a extremidade do gene mtA sofre o mesmo rearranjo "errôneo". Em duas espécies, P. biaurelia e P. septaurelia, diferentes fragmentos do gene mtB podem ser confundidos com DNA “lixo”, sem o qual o gene mtA não pode funcionar. O resultado final de tais rearranjos em todos os casos é a ausência da proteína mtA, e as células com essas deleções terão o tipo O de acasalamento.

“Quando eu era estudante, há 25 anos, fiquei surpreso ao ver que, para um pequeno grupo de espécies de ciliados, existem até três maneiras de herdar tipos de acasalamento (você não encontrará essa diversidade em todos os animais multicelulares). E então era um mistério absoluto, já que ninguém tinha a menor idéia de varredura genômica ou genes para tipos de acasalamento. E o facto de o nosso grupo ter contribuído muito para o estudo deste fenómeno orgulha-me do resultado científico obtido. Foi uma verdadeira busca científica ”, enfatiza Aleksey Potekhin.

Em outra espécie, P. tredecaurelia, os tipos de acasalamento são herdados não pelo citoplasma, mas classicamente - de acordo com as leis de Mendel. Os cientistas descobriram que a diferença entre os clones dos tipos de acasalamento O e E nesta espécie é a perda de um nucleotídeo no promotor do gene mtA nos clones do tipo E. No genoma de P. tredecaurelia, não há gene mtB funcional, e outro fator de transcrição desempenha seu papel.

Os experimentos realizados permitiram estabelecer que o sítio de ligação desse fator desconhecido recai precisamente sobre a região do promotor com uma única deleção de nucleotídeo, e o gene mtA atua sob tal promotor. Se não houver deleção, o sítio não é reconhecido e o gene mtA não pode ser expresso. O mesmo sítio de ligação no promotor do gene mtA é característico de mais três espécies do complexo Paramecium aurelia, e todas elas não possuem o gene mtB.

“Isso significa que na evolução desse grupo várias vezes houve a troca de um sistema de regulação dos tipos de acasalamento para outro. Com decisões diferentes, o resultado é sempre o mesmo: em cada população natural deve haver células de dois tipos de acasalamento. Na evolução do Paramecium, como se viu, qualquer esquema para manter a heterossexualidade pode ser consertado - tanto com a participação de diferentes genes quanto assumindo diferentes rearranjos dentro dos mesmos genes. Isso mostra a importância do processo sexual até mesmo para organismos unicelulares ”, enfatiza Aleksey Potekhin.

O estudo foi financiado pela bolsa RFBR 19-04-00710a.