Результаты четырехлетней работы международного коллектива соавторов, возглавляемого ведущим сотрудником Института биологии Высшей нормальной школы (Париж) Эриком Майером, безусловным мировым лидером в области молекулярной генетики инфузорий, приведены в журнале Nature от 22 мая 2014 года. Одним из авторов работы является доцент кафедры микробиологии, замдиректора ресурсного центра СПбГУ «Культивирование микроорганизмов» Алексей Потехин.
Ученые разгадали давнюю загадку инфузорий
При участии российского биолога раскрыт механизм материнского наследования типов спаривания у инфузории-туфельки
Раскрытый механизм эпигенетического наследования признаков с помощью малых РНК создает принципиально новые возможности как для повышения информационной емкости генома (один ген — разные способы прочтения), так и для наследуемого выключения генов и даже появления новых видов живых организмов.
Инфузории размножаются простым делением, а половой процесс используют для обмена генетической информацией. Американский генетик Трейси Соннеборн впервые наблюдал половой процесс у инфузории-туфельки Paramecium 75 лет назад: смешанные в микроаквариумах инфузории двух разных линий слипались в большие комки на дне и затем разбивались на сотни парочек. Каждую пару образовывали клетки противоположных типов спаривания, названные Е и О — четный и нечетный.
У инфузорий половой процесс не приводит к размножению — оба партнера, обменявшись генетическим материалом, становятся генетически идентичными друг другу и расходятся. Тем не менее оказалось, что собственно тип спаривания сохраняется в соответствии с родительским — то есть О-клетка производит половое потомство О-типа спаривания, а Е-клетка — Е-типа спаривания.
В эпоху бурного расцвета генетики такое — материнское — наследование признаков в ряду поколений, не соответствовавшее законам Менделя, было необъяснимым: если генотипы гибридов идентичны, то и признаки должны проявляться одинаково. Позднее у разных живых организмов обнаруживали примеры того, как одна и та же генетическая информация, заложенная в хромосомах, по-разному интерпретируется разными клетками, а «способ прочтения» наследуется; эти примеры привели к появлению новой биологической дисциплины — эпигенетики.
Оказалось, что часть гена, отвечающего за принадлежность инфузории к определенному типу спаривания, похожа на транспозоны — последовательности-паразиты, способные случайным образом расселяться по геному. Наличие такой посторонней последовательности внутри гена приводит к нарушению его функции.
У инфузорий есть специальные механизмы, с помощью которых удаляются транспозоноподобные последовательности при формировании макронуклеуса — ядра, обеспечивающего повседневную жизнь инфузории. Эти одноклеточные избегают ошибок в сложнейшем процессе, используя геном старого, материнского, макронуклеуса как трафарет, по которому можно воспроизвести новый функциональный геном.
Посредником между материнским и развивающимся ядрами служат особые малые некодирующие РНК, получившие название сканирующих РНК. С помощью механизма РНК-сканирования инфузории защищают работающий геном макронуклеуса от транспозонов, способных нарушить функции жизненно важных генов. Аналогичные системы защиты генома от транспозонов, ключевую роль в которых играют малые РНК, недавно обнаружены и у многоклеточных животных.
Согласно последним данным, приведенным в статье, именно система геномного сканирования обеспечивает материнское наследование типов спаривания у инфузорий-туфелек.
Оказалось, что древний механизм защиты генома от транспозонов вовлечен в регуляцию работы клеточных генов, обеспечивая, в частности, загадочное материнское наследование типов спаривания у инфузории-туфельки. Вероятно, что многие гены у инфузорий находятся под контролем этого механизма.
По сообщению СПбГУ