Sexuální proces u nálevníků je jedinečný fenomén ve světě živých bytostí. Nemají sex pro rozmnožování nebo potěšení, jejich cílem je zvýšení genetické rozmanitosti. Vědci z Petrohradské univerzity spolu s kolegy z Polska a Francie studovali sexuální proces u pěti druhů nálevníků ze skupiny Paramecium aurelia a dokázali přesně zjistit, jaké genetické mechanismy se za tímto fenoménem skrývají. Výsledky zveřejnil prestižní vědecký časopis Genome Biology and Evolution.
Sexuální proces je jedním z nejdůležitějších mechanismů pro zachování genetické rozmanitosti živých věcí. Vznik pohlavního systému se ukázal být nejdůležitějším krokem ve vývoji eukaryot. Nálevníci jsou nejznámější protistové se složitým systémem „pohlaví“ (pářících se typů). Rozmnožují se dělením napůl a toto dělení nijak nesouvisí se sexuálním procesem (konjugací). Sexuální proces u nálevníků spočívá ve výměně haploidních jader, která se spojí, což vede k vytvoření stejného diploidního genomu u každého účastníka. Poté je tento genom uložen v „pohlavním“ jádru (mikronukleus) a dochází k rozsáhlým přestavbám v somatickém jádře (makronukleu), ve kterých nezůstává prakticky žádná nekódující „odpadní“ DNA. Dvě buňky tedy vstoupí do konjugace a dvě buňky zůstanou na konci. Po sexuálním procesu se počet buněk nezvětšuje, ale jsou již odlišné od těch, které byly spárovány. Zaprvé jsou nyní geneticky identičtí a zadruhé se jejich genotypy liší od jejich „rodičovských“.
Nakreslíme-li analogii s člověkem (u kterého sexuální proces také vždy nevede k rozmnožování), můžeme si to představit, jako by se oba partneři po aktu lásky stali dvojčaty a zároveň se proměnili ve své vlastní děti. – ve skutečnosti byli znovuzrozeni.
Jeden z autorů studie, profesor katedry mikrobiologie Petrohradské státní univerzity, kandidát biologických věd Alexey Potekhin
Vědci strávili několik let studiem charakteristik pohlavního procesu pěti druhů pantoflíčků z rodu Paramecium a zjišťováním, jak je zajištěna přítomnost dvou „pohlaví“ v buňkách, které nemají žádné sexuální vlastnosti. „Ciliates přistupují k otázkám sexu neortodoxním způsobem. Například různé druhy Paramecium mají vícenásobné a binární systémy typů páření. Mnoho typů páření výrazně rozšiřuje možnosti výběru sexuálního partnera – hlavní věc je, že se nejedná o buňku stejného genotypu (se stejným typem páření) a binární systémy jsou „bisexualitou“, která je známá. nás. Jak ukázala praxe, dvě pohlaví jsou docela dost,“ říká Alexey Potekhin.
Ciliates řady druhů Paramecium jsou rozděleny do dvou typů: „sudé“ (E) a „liché“ (O) – velmi podmíněně je lze nazvat zástupci různých „pohlaví“, protože do páření vstupují pouze buňky různých typů. proces. Jak se však poznají, se dlouho nevědělo. Klíčem k řešení byl gen mtA, dříve objevený v Paramecium tetraurelia. Kóduje protein umístěný na řasinkách buněk „sudého“ typu páření v okamžiku, kdy je buňka připravena k pohlavnímu procesu. Tento protein umožňuje buňce rozpoznat nálevníky druhého, „lichého“ typu páření, a takové buňky se mohou vzájemně propojovat. Gen mtA pracuje s pomocí dalších dvou proteinů, mtB a mtC, které kódují specifické transkripční faktory pro mtA. Buňka, která je schopna syntetizovat všechny tři proteiny, bude mít typ párování E, a pokud něco nefunguje, pak typ párování O.
K očištění somatického genomu od všeho nepotřebného používají nálevníci mechanismus genomického skenování pomocí speciálních malých RNA k porovnání starého známého pracovního genomu a nového, který se tvoří po sexuálním procesu. V důsledku toho jsou z nového genomu odstraněny všechny sekvence DNA, které nebyly ve starém genomu, poté je staré makronukleus zničeno a řízení života buňky přechází na nové makronukleus. “Zároveň se genotyp nových jader liší od toho rodičovského, jak by měl být výsledkem sexuálního procesu,” poznamenává Alexey Potekhin.
Studie byla podpořena grantem Ruské nadace pro základní výzkum 19-04-00710a.
Právě pomocí genomového skenování nálevníci druhu Paramecium tetraurelia cytoplazmaticky zdědí typ páření, to znamená, že v buňce potomka bude stejný jako u rodiče. „Buňky s pářícím typem O nemají ve svém genomu funkční gen mtA, protože sekvence DNA obsahující promotor (startovací místo) a začátek genu mtA má náhodnou podobnost s transpozony (takzvané skokové geny, které tvoří významná část nepotřebné DNA buňky) a může být odstraněn z makronukleového genomu jako nepotřebný. Pokud k tomu dojde, pak v následujících generacích bude tato sekvence vždy odstraněna během vývoje makronukleu, protože již byla ztracena ze „šablony“. Výsledkem je, že gen mtA je tichý a buňka zdědí páření typu O,“ říká Alexey Potekhin.
Cytoplazmatická dědičnost typů páření je charakteristická pro několik dalších sourozeneckých druhů komplexu Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia a P. dodecaurelia. V nové studii vědci ukázali, že tyto druhy, navzdory jejich blízkému vztahu, používají stejný mechanismus, ale různé způsoby, jak dosáhnout „bisexuality“. Několik druhů používá stejnou metodu jako P. Tetraurelia – epigeneticky zděděnou deleci (nebo chromozomální přeuspořádání) fragmentu obsahujícího promotor a začátek sekvence genu mtA. U P. sexaurelia naopak konec genu mtA prochází stejným „chybným“ přeskupením. U dvou druhů, P. biaurelia a P. septaurelia, mohou být různé fragmenty genu mtB zaměněny za „odpadní“ DNA, bez které gen mtA nemůže fungovat. Konečným výsledkem takových přeuspořádání je ve všech případech nepřítomnost proteinu mtA a buňky s těmito delecemi budou mít párovací typ O.
Když jsem byl studentem, před 25 lety, byl jsem ohromen tím, že pro malou skupinu nálevníků existují až tři způsoby, jak zdědit typy páření (nenajdete takovou rozmanitost mezi všemi mnohobuněčnými živočichy). A pak to byla absolutní záhada, protože nikdo neměl ani ponětí o genomovém skenování nebo genech typu páření.
Profesor katedry mikrobiologie Petrohradské státní univerzity, kandidát biologických věd Alexey Potekhin
„A skutečnost, že naše skupina mohla významně přispět ke studiu tohoto fenoménu, ve mně vyvolává pocit hrdosti na dosažený vědecký výsledek. Bylo to skutečné vědecké hledání,“ zdůrazňuje vědec.
U jiného druhu, P. tredecaurelia, se typy páření dědí nikoli přes cytoplazmu, ale klasicky, v souladu s Mendelovými zákony. Vědci zjistili, že rozdílem mezi klony O a E typů páření u tohoto druhu je ztráta jednoho nukleotidu v promotoru genu mtA u klonů typu E. V genomu P. tredecaurelia není žádný funkční gen mtB, a jeho roli hraje další transkripční faktor. Provedené experimenty umožnily zjistit, že vazebné místo pro tento neznámý faktor je přesně lokalizováno v oblasti promotoru s jednonukleotidovou delecí a gen mtA působí pod takovým promotorem. Pokud nedojde k žádné deleci, pak místo není rozpoznáno a gen mtA nemůže být exprimován. Stejné vazebné místo v promotoru genu mtA je charakteristické pro tři další druhy komplexu Paramecium aurelia a všechny nemají gen mtB.
„To znamená, že ve vývoji této skupiny došlo několikrát k přechodům z jednoho systému regulace páření na jiný. S různými řešeními je výsledek vždy stejný: v každé přirozené populaci musí být buňky dvou typů páření. V evoluci Paramecia, jak se ukázalo, se může uchytit jakékoli schéma zachování heterosexuality – a to jak za účasti různých genů, tak také zahrnujících různá přeskupení v rámci stejných genů. To ukazuje, jak důležitý je sexuální proces i pro jednobuněčné organismy,“ zdůrazňuje Alexey Potekhin.
U řasinek Tetrahymena thermophila sedm pohlaví. Může mít pohlavní styk se zástupcem jakéhokoli pohlaví kromě svého. Buňky vzniklé pohlavním procesem nedědí pohlaví svých „rodičů“ – vybírají si ho náhodně z několika možností. Tým vědců z USA a Číny tento aspekt osobního života nálevníků podrobně pochopil. Je známo, že všichni nálevníci mají dva genomy – jeden, pracovní, je obsažen v makronukleu, a druhý, v neaktivní formě, je uložen v mikronukleu a je určen pro výměnu genetické informace. Vědci zjistili, že v makronukleu je za sex zodpovědný pár genů umístěných poblíž. Mikronukleus Tetrahymena obsahuje všechny varianty takových párů, ale ve zkrácené formě. Po sexuálním procesu je jeden z nich dokončen „slepením“ částí různých genů a všechny ostatní jsou zničeny. Překvapivě se zdá, že výběr párů probíhá náhodně, ale vyžaduje velmi pečlivé sestavení fragmentů DNA.
Po nedávném přečtení PIT00356 jsem se rozhodl podívat se na nové odkazy na původní články
Marcella D. Cervantes, Eileen P. Hamilton, Jie Xiong, Michael J. Lawson, Dongxia Yuan, Michalis Hadjithomas, Wei Miao a Eduardo Orias. Výběr jednoho z několika typů páření spojením a delecí genových segmentů Tetrahymena thermophila // PLoS Biol 11 (3), e1001518 (2013). doi 10.1371/journal.pbio.1002284 již Citováno 37
Zatím nemám partnera. Proto jsem si znovu přečetl Timofeeva-Resovského, který mluví o 10 pohlavích. Pamatuji si, že jsme se s Violettou dívali na nálevníky, kteří mohou mít asi 1000 chromozomů. Mimochodem, eukaryotický genom nálevníků se skládá dokonce z 16 000 chromozomů Oxytricha trifallax.
Estienne C. Swart, John R. Bracht, Vincent Magrini, Patrick Minx, Xiao Chen, Yi Zhou, Jaspreet S. Khurana a kol. Makronukleární genom Oxytricha trifallax: komplexní eukaryotický genom s 16,000 11 drobnými chromozomy // PLoS Biol 1 (1001473), e2013 (10.1371). doi 1001473/journal.pbio.XNUMX Citováno 66
Tento somatický genom obsahuje více než 16 000 unikátních nanochromozomů („nanochromozomů“), které obvykle nesou jednotlivé geny a mají průměrnou velikost pouze 3,2 kb.
Pojem nanochromozom byl zaveden v roce 2003 v práci
Thomas G. Doak, Andre R. O. Cavalcanti, Nicholas A. Stover, Diane M. Dunn, Robert Weiss, Glenn Herrick a Laura F. Landweber. Sekvenování makronukleárního genomu Oxytricha trifallax: pilotní projekt // Trends in Genetics 19 (11), 603-607 (2003). doi10.1016/j.tig.2003.09.013 Citováno 39
O 10 let později se toto dílo objevuje
John R. Bracht, Wenwen Fang, Aaron David Goldman, Egor Dolzhenko, Elizabeth M. Stein a Laura F. Landweber. Genomy na okraji: programovaná nestabilita genomu u nálevníků // Cell 152 (3), 406-416 (2013). doi 10.1016/j.cell.2013.01.005 Citováno 38
Obrázek 1. [Bracht2013] Zjednodušené životní cykly nálevníků
(A a H) K reprodukčnímu vegetativnímu růstu dochází asexuálně dělením buněk, včetně mitózy zárodečné linie mikronukleu (MIC, označeno kroužkem) a somatické makronukleární amitózy (MAC, označeno oválem).
(B) Hladovění indukuje páření mezi kompatibilními typy páření a iniciuje nereprodukční sexuální cyklus.
(C) Meiosis VPC produkuje haploidní jádra gamet.
(D a E) (D) Výměna haploidních mikrojader a oplodnění vytváří dvě nová diploidní, zygotická jádra (E).
(F) Mitóza zygotických jader produkuje dvě identická mikrojádra a jedno jádro se začíná diferencovat na nový MAC.
(G a H) (G) K degradaci staré MAC dochází během diferenciace nové MAC. Zralé buňky (H) znovu vstupují do vegetativního růstu [Nowacki2009].
Pro pochopení uvedu tradiční úhel pohledu. Konjugace u nálevníků je výměna pohlavních jader (mikrojader) následovaná jejich párovým splynutím v synkaryon (diploidní produkt fúze stěhovavých a stacionárních jader u nálevníků během konjugace). Následně se synkaryon rozdělí a vytvoří nová reprodukční a vegetativní jádra.
Mariusz Nowacki, Brian P. Higgins, Genevieve M. Maquilan, Estienne C. Swart, Thomas G. Doak a Laura F. Landweber. Funkční role pro transpozázy ve velkém eukaryotickém genomu // Science 324 (5929), 935-938 (2009). DOI 10.1126/science.1170023 Citováno 93
Obecně je záležitost stále jasnější. Jediné, co je jasné, je, že dědění rodokmenu nálevníky přinese ještě mnoho objevů! Například objasnění pojmu genom po objevení se epigenomu. Zajímavé přehodnocení pojmu genom, blízké našemu CellBooku, nedávno zveřejnili kolegové z Princetonu, kteří se letos přestěhovali na Columbia University v New Yorku.
Popis postavy TBA v ruštině
Aaron David Goldman a Laura F. Landweber. Co je to genom? // PLoS Genet 12 (7), e1006181 (2016). doi 10.1371/journal.pgen.1006181
Anotace. Genom je často popisován jako úložiště informací o organismu. Jsou miliony nebo miliardy písmen DNA, když se přenášejí po generace, hlavním prostředkem pro dědění vlastností organismu. Některé rozvíjející se oblasti výzkumu naznačují, že tato definice je příliš zjednodušená. Zde zkoumáme způsoby, kterými je větší porozumění genomové diverzitě a buněčné fyziologii zpochybňováno konceptem fyzické invariance spojené s genomem, stejně jako jeho rolí jediného zdroje informací pro organismus.
Citát: „S plným pochopením obsahu genomu, jeho rozmanitosti a způsobů exprese můžeme nyní přehodnotit naše chápání genomu a jeho role v buňce. Například bližší pohled na definici NIH odhalí, že její dvě poloviny se vzájemně vylučují; to znamená, že „úplný soubor DNA“ nemusí být „všechny informace potřebné k vytvoření a udržení dospělého organismu (organismů.“) . naše současné chápání ukazuje, že tato definice je neúplná.“
Další citát: „Většina informací potřebných k reprodukci somatického genomu pochází z RNA, nikoli z DNA. Dlouhé kopie somatických chromozomů, které lze uložit do mezipaměti RNA z předchozí generace poskytnout šablony pro řízení chromozomálního přeuspořádání.“
Kromě tohoto článku kolegové z laboratoře Laury Landweberové nedávno prokázali tvrzení „Šifrovaná architektura genomu odhaluje masivní genomické přestavby během vývoje“. Důkaz viz dílo.
Xiao Chen, John R. Bracht, Aaron David Goldman, Egor Dolzhenko, Derek M. Clay, Estienne C. Swart, David H. Perlman a kol. Architektura zakódovaného genomu odhaluje masivní úrovně genomového přeskupení během vývoje // Cell 158 (5), 1187-1198 (2014). doi 10.1016/j.cell.2014.07.034 Citováno 33
Zde je grafické shrnutí tohoto článku
