Одна клетка – семь полов

Ученые впервые описали очень изящный механизм, который определяет целых семь вариантов пола у простейшего животного

Какие генетические процессы отвечают за пол человека, известно достаточно хорошо. Как решает этот вопрос одноклеточная инфузория, ученые не знали до последнего времени. Биологи из калифорнийского Университета Санта-Барбары сообщают, что им удалось восполнить этот пробел на примере инфузории Tetrahymena thermophila. Хоть это одноклеточное размножается обычным делением, но у него есть половые признаки. В каком-то смысле инфузория устроена даже посложнее нашего и насчитывает целых семь вариантов пола. Американские и китайские генетики только вчера, 27 марта, впервые опубликовали в журнале PLoS Biology шокирующие подробности из личной жизни этих микробов.

Пол или тип спаривания инфузории определяется генетически: клетки с одинаковым типом спаривания обменяться генетическим материалом не могут, то есть однополая любовь в этом одноклеточном мире запрещена. Зато инфузории могут менять свой пол после каждого полового акта, за это отвечает специальный механизм, сочетающий случайные и точно выверенные действия клетки.

Профессор Ориас, возглавлявший исследование, изучает этих простейших очень давно, и они не перестают его удивлять. "У этих созданий такой завораживающий цитоскелет, – говорит он, – что многие специалисты по микроскопии начали рассматривать его в мельчайших деталях, как только появились электронные микроскопы". Тетрахимена держит весь генетический материал в ядре, точнее, в двух. В первом, большом макронуклеусе собраны многочисленные копии хромосом. Там гены активно работают, управляя всей жизнедеятельностью клетки. Второй, маленький микронуклеус содержит тот же набор генов, но не в виде хромосом, а в виде длинных, плотно упакованных нитей ДНК, которые не работают, а только участвуют в интимной жизни инфузорий и хранят наследственный материал, которого, кстати, у инфузорий больше, чем у человека – около 25 тысяч генов (наши гены, правда, существенно сложнее).

Большое ядро образуется из малого, и инфузория проделывает в макронуклеусе гигантскую работу, чтобы привести гены в надлежащий вид. В течение нескольких часов она успевает обнаружить и выбросить около 6 тысяч лишних участков, разобрать хромосомы на россыпь коротких фрагментов и размножить их сотни раз. Пол инфузории определяется именно тем, как она организует генетический материал, и, чтобы объяснить этот изящный процесс, не обойтись без подробностей.

Как мы уже сказали, малое ядро ничем особым не занимается в быту и просыпается лишь тогда, когда приходит пора любви, которая у инфузорий называется конъюгацией: две разнополые клетки сближаются, растворяют свои стенки в месте соприкосновения и обмениваются микронуклеусами, оставляя себе копию, которая затем сливается с полученным от партнера ядром. В результате микронуклеус с гибридным геномом дает начало большому и малому ядру, а прежний макронуклеус утилизируется. В целом, секс инфузорий представляет собой многоступенчатое, тщательно выверенное действо, которое, однако, не приводит к образованию потомства. Если у людей в результате слияния половых клеток возникает новый организм, сочетающий генетические особенности родителей, то тетрахимены обмениваются генами, чтобы изменить пол и наследственность друг друга.

Авторы статьи в PLoS Biology выявили в большом ядре два гена, определяющих тип спаривания, которые работают только во время секса (конъюгации) и без которых этот процесс не начинается. Гены, названные mta и mtb, соединены друг с другом "голова к голове", а в хвостовой части у каждого сидят участки, кодирующие мембранные белки. Поскольку, как мы помним, геномы в ядрах этого микроорганизма организованы очень по-разному, биологи не упустили случая проверить, что происходит с этими двумя генами в малом ядре.

Там они обнаружили более богатую картину: сразу шесть пар mta/mtb, выстроенные в ряд, причем у всех, кроме одной, хвостовые участки короче, чем нужно, и все головные последовательности различались между собой. В серии экспериментов удалось показать, что после конъюгации, когда приходит время перестраивать геном, инфузория приделывает к хвостам одной короткой пары недостающие последовательности, а остальные пары при этом уничтожаются. Авторы работы считают, что какую именно пару достроить, инфузория решает случайным образом. То есть в малом ядре содержится комплект, дающий T. Thermophila право стать существом любого возможного пола. И лишь в результате сложного процесса, включающего разрезание и склеивание генов, инфузория определяется со своей половой принадлежностью. До следующего спаривания.

Инфузория на протяжении многих лет остается излюбленным объектом изучения у генетиков и даже успела принести Нобелевскую премию за открытие механизма защиты хромосом от укорачивания. По одной из гипотез, постепенное уменьшение их длины приводит к старению. Награду, присужденную в 2009 году, разделили Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак. Именно эксперименты с T. thermophila позволили ученым обнаружить теломеры (концевые участки хромосом) и фермент теломеразу, умеющий их синтезировать.

Конечно, инфузория слишком далекий наш родственник, чтобы проводить прямые параллели. Однако она позволяет находить базовые генетические и биохимические процессы, присущие большей части животного царства. Впечатляющие возможности генной инженерии инфузории поднимают непростой вопрос из области эволюционной теории: если клетка так эффективно очищает и свой геном в большом ядре, почему она не делает то же самое в малом? Возможно, в микронуклеусе организм сохраняет своего рода эволюционный резерв (evolvability). Об этом явлении, широко распространенном в природе, говорят все чаще.

Когда я спросил об этом профессора Ориаса, он сказал, что у биологов пока не достает экспериментальных данных, чтобы точно ответить на этот вопрос. "Не все так называемые лишние участки (IES) обязаны быть "мусорной" ДНК, – сказал Ориас. – Лишь немногие из них были подробно исследованы. Только совсем недавно появился первый драфт генома микронуклеуса. Как только он будет тщательно проанализирован, у нас появится более полное представление о возможной полезной роли некоторых IES". Кроме того, он обратил внимание, что сам процесс удаления лишних фрагментов чрезвычайно сложен и высокоорганизован – не исключено, что он сам по себе содержит некие сопутствующие выгоды для организма и, соответственно, поддерживается отбором.