Инфузории Paramecium спариваются не ради потомства, а для повышения генетического разнообразия

Инфузории обладают сложной системой «полов» (типов спаривания): они размножаются делением пополам, и это деление никак не связано с половым процессом (конъюгацией). В ходе спаривания инфузории обмениваются гаплоидными ядрами, которые сливаются, в результате чего у каждого участника процесса формируется одинаковый диплоидный геном. Затем этот геном сохраняется в «половом» ядре (микронуклеусе) и подвергается масштабным перестройкам в соматическом ядре (макронуклеусе), в котором практически не остается некодирующей «мусорной» ДНК. Таким образом, в конъюгацию вступают две клетки и две клетки остаются по ее окончании: после полового процесса клеток не становится больше, но они отличаются от тех, которые соединились в пару, — они становятся генетически идентичными, а их генотипы отличаются от «родительских».

«Если провести аналогию с человеком, можно представить ее, как если бы после акта любви оба партнера становились близнецами и при этом одновременно превращались в своих собственных детей», — объясняет один из авторов исследования, профессор кафедры микробиологии СПбГУ кандидат биологических наук Алексей Потехин.

Ученые несколько лет исследовали особенности полового процесса пяти видов инфузорий-туфелек из рода Paramecium и выясняли, как обеспечивается наличие двух «полов» у клеток, не имеющих никаких половых признаков. Инфузории ряда видов Paramecium делятся на два типа: «четные» (Е) и «нечетные» (О) — очень условно их можно назвать представителями разных «полов», поскольку в процесс спаривания вступают только клетки разных типов. Однако как они распознают друг друга, долгое время было неизвестно. Ключом к разгадке стал ген mtA, ранее обнаруженный у Paramecium tetraurelia: он кодирует белок, находящийся на ресничках клеток «четного» типа спаривания, и позволяет клетке распознать инфузорию «нечетного» типа. Ген mtA работает с помощью двух других белков, mtB и mtC, которые кодируют специфичные факторы транскрипции для mtA. Клетка, которая способна синтезировать все три белка, будет иметь тип спаривания Е, а если что-то не работает, то тип спаривания О.

Чтобы очистить соматический геном от всего ненужного, инфузории используют механизм геномного сканирования, с помощью особых малых РНК сравнивая старый, заведомо работающий геном и новый, который формируется после полового процесса. В итоге из нового генома удаляются все последовательности ДНК, которых не было в старом, затем старый макронуклеус разрушается, а управление жизнью клетки переходит к новому макронуклеусу, при этом генотип новых ядер отличается от родительского. Именно с помощью геномного сканирования инфузории вида Paramecium tetraurelia цитоплазматически наследуют тип спаривания, то есть у клетки-потомка он будет тем же, что и у родителя.

«У клеток с типом спаривания О в геноме нет рабочего гена mtA, так как последовательность ДНК, содержащая промотор (стартовый участок) и начало гена mtA, имеет случайное сходство с транспозонами (так называемыми прыгающими генами) и может быть удалена из генома макронуклеуса как ненужная. Если это происходит, то в следующих поколениях эта последовательность будет всегда удаляться при развитии макронуклеуса, ведь она уже утеряна из "трафарета". В итоге ген mtA молчит, а клетка наследует тип спаривания О», — говорит Алексей Потехин.

Еще у одного вида, P. tredecaurelia, типы спаривания наследуются не по цитоплазме, а классически: ученые выяснили, что разница между клонами О и Е типов спаривания у этого вида состоит в потере одного нуклеотида в промоторе гена mtA у клонов типа Е. В геноме P. tredecaurelia при этом нет функционального гена mtB, и его роль играет другой фактор транскрипции. Проведенные эксперименты позволили установить, что сайт связывания этого неизвестного фактора как раз приходится на участок промотора с однонуклеотидной делецией и ген mtA работает из-под такого промотора. Если же делеции нет, то сайт не распознается и ген mtA не может экспрессироваться. Такой же сайт связывания в промоторе гена mtA характерен еще для трех видов комплекса Paramecium aurelia, и все они не имеют гена mtB.

«Это значит, что в эволюции данной группы несколько раз происходили переключения с одной системы регуляции типов спаривания на другую. При разных решениях результат всегда один: в каждой природной популяции должны быть клетки двух типов спаривания, что говорит о важности полового процесса даже для одноклеточных организмов», — подчеркивает Алексей Потехин.