Кто предупреждён - тот вооружён! Берегите своё здоровье и здоровье своих близких!
«Дрожжи помнят о несчастной любви.»
Особый белок, накапливающийся в клетках дрожжей, не даёт им забыть о неудачных попытках полового процесса, и в дальнейшем, чтобы «раскрутить» такие клетки на половое размножение, их потенциальным партнёрам придётся потратить изрядное количество феромонов.
У дрожжей, кроме бесполого размножения, когда дочерняя клетка отпочковывается от материнской, есть и половой процесс — когда две клетки сливаются вместе, объединяя два генома в один. Сливаться могут не любые клетки, а гаплоидные (то есть не с двумя, а с одним набором хромосом), и притом разные по типу спаривания — грубо говоря, «разнополые» (хотя говорить о половой принадлежности дрожжей вряд ли стоит). Такие клетки выделяют особые химические вещества, которые может распознать клетка-партнёр. Если клетки нашли друг друга, они протягивают специальные выросты, и если выросты соприкоснулись, произойдёт слияние, за которым последует ряд довольно сложных процессов.
Но бывает так, что слияния не происходит, и все химические «признания в любви» и протягивание выростов оканчиваются неудачей. В этом случае, как пишут в журнале Cell исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, в дрожжах накапливается неактивная форма белка Whi3. Этот белок и так присутствует в клетке, но стоит дрожжам испытать любовную неудачу, Whi3 изменяет пространственную конформацию, причём изменённые молекулы заражают ею другие молекулы Whi3.
В итоге неактивный Whi3 образует агрегаты, которые сама клетка если и может разрушить, то с огромным трудом. Но самое интересное то, как такие агрегаты влияют на половое размножение: в следующий раз потенциальному партнёру придётся потратить гораздо больше феромонов, чтобы заинтересовать клетку, которая перенесла неудачную любовь. Если таких веществ окажется недостаточно, клетка просто не будет обращать внимание на призывы и продолжит размножаться бесполым способом, то есть простым почкованием.
Фактически у клетки формируется память о «несчастных любовях», и чем старше становится клетка, тем сложнее ей найти партнёра: число разочарований, знаете ли, со временем растёт, и белок накапливается, отбивая у дрожжей всякое желание «интима». Лишь в очень редких случаях клетке удаётся очистить свою память. Стоит также заметить, что к дочерним клеткам, образовавшимся в результате почкования, «груз памяти» не переходит, поэтому им не возбраняется участие в половом процессе.
Причину накопления такой памяти учёные объясняют следующим образом. Дрожжам приходится выбирать, размножаться быстро бесполым образом, но при этом снижать генетическую вариабельность популяции, или размножаться половым способом, увеличивая генетическое разнообразие потомства, но тратя на это много энергии. Когда клетка дрожжей чувствует феромоновый «любовный призыв», она отключает бесполое деление, готовясь к половой встрече. Но потенциальный партнёр может быть обманщиком, который таким образом тормозит размножение конкурентов. Поэтому клетка с каждым таким обманом поднимает ставку: потенциальный партнёр должен действительно доказать, что он намерен вступить в половое размножение, и доказать это он должен повышенным уровнем феромонов.
Любопытно, что нечто похожее происходит у дрозофил: когда самка по какой-то причине отвергает самца, в его синапсах появляются белковые отложения, которые, возможно, влияют на его дальнейшее брачное поведение. Не исключено, что и у высших животных есть подобный способ запоминания. Правда, в случае человеческих мозгов словосочетание «белковые отложения» вызывает неприятные ассоциации с болезнью Альцгеймера и прочими нейродегенеративными недугами. Было бы удивительно вдруг обнаружить, что нейродегенеративные процессы — это всего лишь вышедшие из-под контроля процессы памяти...
| |||||||
|
Та же история, что и с НИИ мясомолочной промышленности, и большей части фармацевтики. Пытаются защищаться и оправдать вредительство.
| Эволюция полового размножения у дрожжей: надстройка меняется, базис остается |
25.02.14 | Генетика, Биология развития, Эволюция, Александр Марков | Комментировать
|
Рис. 1. Схема жизненного цикла пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisae. 1 — почкование, 2 — конъюгация (спаривание), 3 — образование четырех гаплоидных спор из диплоидной клетки в результате мейоза. Схема с сайта www.wynboer.co.za
Американские биологи обнаружили, что генные сети, регулирующие половое размножение, по-разному устроены у разных видов дрожжей. У обычных пекарских дрожжей и ряда других видов спаривание (слияние двух гаплоидных клеток в одну диплоидную) и мейоз (образование гаплоидных спор из диплоидной клетки) разнесены во времени, а в жизненном цикле преобладает диплоидная фаза. У других видов мейоз происходит вскоре после спаривания, и поэтому в жизненном цикле преобладает гаплоидная фаза. Как выяснилось, в первом случае спаривание и мейоз управляются двумя независимыми генетическими программами, а во втором эти программы слиты воедино, причем белки-регуляторы, необходимые для спаривания, стали необходимыми также и для мейоза, и наоборот. По-видимому, слияние управляющих программ происходило независимо в разных группах дрожжей, когда им становилось выгодно проводить большую часть жизни в гаплоидном состоянии.
У организмов, размножающихся половым путем, в жизненном цикле обязательно присутствуют два особых события – оплодотворение, в результате которого два гаплоидных генома объединяются в одной клетке, и редукционное деление (мейоз), в ходе которого из диплоидной клетки получаются гаплоидные.
Иногда эти события тесно связаны и следуют одно за другим, а иногда — разнесены во времени и происходят более или менее независимо. Первый вариант характерен, например, для животных (у которых оплодотворение следует за мейозом), а также для многих одноклеточных, проводящих большую часть жизни в гаплоидном состоянии (в этом случае, наоборот, мейоз происходит сразу после оплодотворения).
Пример второго варианта — пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisae, классический лабораторный объект. Диплоидные клетки S. cerevisae могут долго размножаться почкованием, производя дочерние диплоидные клетки. В определенных условиях (например, при голодании) диплоидная клетка претерпевает мейоз и производит четыре гаплоидные споры. Из спор вырастают гаплоидные дрожжевые клетки, которые тоже могут размножаться почкованием, однако они, в отличие от диплоидных клеток, способны еще и к спариванию (конъюгации). Гаплоидные дрожжи делятся на два пола (a и α), причем спариваться могут только разнополые клетки. В результате спаривания получается диплоидная клетка, и цикл продолжается (рис. 1). Таким образом, уS. cerevisae между мейозом и оплодотворением могут быть долгие периоды бесполого размножения, а сами эти два события друг с другом напрямую не связаны и регулируются разными генами.
По-другому устроен жизненный цикл родственника пекарских дрожжей, патогенного гриба Candida lusitaniae. У этого вида большая часть жизни проходит в гаплоидной фазе, а образовавшаяся в результате конъюгации диплоидная клетка, как правило, не почкуется (или почкуется недолго) и вскоре приступает к мейозу.
Микробиологи из Брауновского университета (США) решили разобраться в причинах этого различия. Они сравнили экспрессию генов S. cerevisae и C. lusitaniae во время спаривания и мейоза. У S. cerevisae наборы генов, отвечающих за эти два процесса, четко различаются. Однако у C. lusitaniae, как выяснилось, разделение труда между двумя группами генов выражено намного слабее.
Во время спаривания у C. lusitaniae активируются не только гены, которые у пекарских дрожжей отвечают за спаривание (включая гены MAPK-каскада, обеспечивающего реакцию клетки на половые феромоны противоположного пола), но и некоторые гены, которые у S. cerevisae необходимы для мейоза, но в спаривании не участвуют. К числу таких «генов мейоза», активирующихся у C. lusitaniae во время спаривания, относятся SPO11, REC8 и IME2.
В диплоидных клетках C. lusitaniae, собравшихся приступить к мейозу, резко (более чем в четыре раза) возрастает экспрессия 618 генов. Самое интересное, что многие из этих генов у S. cerevisaeобслуживают исключительно процесс спаривания, а в мейозе не участвуют (у S. cerevisae при мейозе возрастает экспрессия меньшего числа генов — 480). В частности, многие гены, у пекарских дрожжей и других грибов отвечающие за реагирование на половые феромоны, у C. lusitaniae почему-то активируются не только при подготовке к спариванию, но и в ходе мейоза. С другой стороны, некоторые гены, активирующиеся у S. cerevisae при спаривании или мейозе, у C. lusitaniae в этих ситуациях не активируются. Ключевой регулятор мейоза IME1 вообще отсутствует уC. lusitaniae.
Полученные факты позволяют заключить, что генные сети, регулирующие спаривание и мейоз у двух видов, существенно различаются. Чтобы выяснить, имеют ли эти различия функциональное значение, авторы приступили к изучению работы отдельных генов.
Ген IME2 (inducer of meiosis 2) является ключевым регулятором мейоза у S. cerevisae. Как и следовало ожидать, удаление этого гена у C. lusitaniae лишило диплоидные клетки способности к мейозу. Но это не всё: гаплоидные клетки C. lusitaniae без гена IME2 оказались неспособны к спариванию. Между тем у S. cerevisae ген IME2 на спаривание не влияет. Половые феромоны необходимы пекарским дрожжам для регуляции спаривания, но не мейоза. Оказалось, что C. lusitaniae активно производят феромоны и в ходе мейоза, и при спаривании. Ген STE12 кодирует транскрипционный фактор, играющий ключевую роль в регуляции полового поведения у S. cerevisae и многих других грибов. Его удаление у C. lusitaniae лишило клетки не только способности к спариванию (этот результат был ожидаем), но и способности к мейозу, при том что у S. cerevisae этот ген в мейозе не задействован.
Вся совокупность данных говорит о том, что у S. cerevisae есть две более или менее самостоятельные генетические программы, одна из которых регулирует половое поведение (спаривание), а другая — мейоз. У родственного вида C. lusitaniae эти две программы фактически слились в одну.
Авторы проверили, влияет ли удаление гена STE12 на мейоз еще у трех близких видов дрожжей: Kluyveromyces lactis, Pichia pastoris и Yarrowia lipolytica. Во всех трех случаях никакого влияния выявлено не было (как и у S. cerevisae). Это значит, что разделенность программ спаривания и мейоза, по-видимому, является исходным (предковым) признаком данной группы грибов, а их слияние у C. lusitaniae — признак новоприобретенный (рис. 2).
Возможно, ключом к слиянию генетических программ послужила утрата транкрипционного фактора α2. Об этом белке известно, что он не позволяет некоторым генам, активным в гаплоидных клетках (в том числе генам MAPK-каскада, отвечающего за реагирование на половые феромоны), работать также и в диплоидной фазе жизненного цикла. Предки C. lusitaniae утратили α2, что дало возможность «генам спаривания» работать в диплоидных клетках. Это и позволило некоторым из них взять на себя новую функцию регуляторов мейоза.
Слияние программ спаривания и мейоза не является уникальной особенностью C. lusitaniae. Такое же явление обнаружено у дальнего родственника рассматриваемой группы,Schizosaccharomyces pombe, чьи предки отделились от предков других дрожжей более 330 млн лет назад. У этого вида, как и у C. lusitaniae, транскрипционные факторы MAPK-каскада, необходимые для спаривания, необходимы также и для мейоза.
|
Рис. 2. Вверху (a) — схема регуляции спаривания (Mating) и мейоза (Meiosis) у некоторых видов дрожжей. У Schizosaccharomyces pombe и Candida lusitaniae оба процесса регулируются совместно, с участием половых феромонов и белков MAPK-каскада, и индуцируются голоданием. У Saccharomyces cerevisae два процесса регулируются по отдельности, а половые феромоны нужны только для спаривания. Внизу (b) — эволюционное дерево, показывающее, что совместная регуляция спаривания и мейоза возникла уS. pombe и C. lusitaniae независимо. Справа отмечены галочками виды, у которых транскрипционные факторы Ste11 и Ste12 необходимы не только для спаривания, но и для мейоза; крестиками — те, кому они нужны только для спаривания. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
По-видимому, слияние генетических программ спаривания и мейоза происходило в эволюции грибов неоднократно. По мнению авторов, это могло быть связано с тем, что некоторым видам почему-то становилось выгодно большую часть жизненного цикла проводить в гаплоидной фазе (хотя в чем именно состоят преимущества и недостатки гаплоидности и диплоидности — вопрос дискуссионный, см.: S. P. Otto, A. C. Gerstein, 2008. The evolution of haploidy and diploidy). Единая регуляция спаривания и мейоза у C. lusitaniae и S. pombe приводит к тому, что мейоз у них обычно происходит вскоре после образования диплоидной клетки, и поэтому большую часть жизни эти грибы проводят в гаплоидном состоянии. Напротив, у S. cerevisae и других видов с разделенными программами спаривания и мейоза в жизненном цикле преобладает диплоидная фаза.
Исследование еще раз показало, что в ходе эволюции может происходить радикальная перестройка (rewiring) генных сетей, регулирующих развитие того или иного признака, хотя сам признак при этом не меняется. Другой пример — огромное разнообразие способов детерминации пола у разных организмов, хотя в итоге получается одно и то же: часть особей становится самцами, часть — самками (впрочем, к дрожжам с их «полами» а и α это как раз не относится).
Источник:Racquel Kim Sherwood, Christine M. Scaduto, Sandra E. Torres & Richard J. Bennett. Convergent evolution of a fused sexual cycle promotes the haploid lifestyle // Nature. 2014. V. 506. P. 386–390.
Про половое размножение дрожжей см. также:
Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни, «Элементы», 18.04.2012.
Про устройство MAPK-каскада (обеспечивающего реакцию дрожжей на половые феромоны противоположного пола) см. также:
Перекомбинирование фрагментов белковых молекул — быстрый способ создания новых признаков, «Элементы», 20.04.2010.
| Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни |
18.04.12 | Эволюция, Генетика, Микробиология, Александр Марков | Комментарии (33)
Эволюционные эксперименты, проведенные новозеландскими биологами, показали, что половое размножение не дает дрожжам преимуществ в стабильных благоприятных условиях, зато помогает адаптироваться к неблагоприятным (стрессовым) ситуациям. Увеличение темпа мутирования в 10 раз в благоприятных условиях не влияет на эволюцию дрожжей, в неблагоприятных — оказывается губительным для популяций, лишенных способности к половому размножению. Полученные результаты показывают, что половое размножение способствует одновременно и накоплению полезных мутаций, и отбраковке вредных. Вопрос о том, почему большинство живых существ предпочитает «дорогостоящее» половое размножение бесполому, — одна из любимых головоломок эволюционистов-теоретиков (см. ссылки внизу). В общем виде эта задача была решена, по-видимому, еще Августом Вейсманом в конце XIX века (A. Weismann, 1889. The significance of sexual reproduction in the theory of natural selection, PDF, 2,8 Мб). Вейсман предположил, что секс увеличивает разнообразие потомства, тем самым повышая эффективность отбора, что позволяет организмам быстрее адаптироваться. Сегодня, по прошествии века с четвертью, можно уверенно сказать, что гипотеза Вейсмана, при всей ее расплывчатости, в целом подтвердилась. Однако попытки ее конкретизировать породили новые проблемы. Появилось несколько конкурирующих теорий, которые по-разному оценивают влияние полового размножения на эффективность разных форм отбора. Одни модели, восходящие к идеям Рональда Фишера и Германа Мёллера, видят в сексе прежде всего способ ускоренного накопления полезных мутаций (повышение эффективности положительного отбора). Другие, разработанные тем же Мёллером и Алексеем Кондрашовым, подчеркивают роль секса в отбраковке вредных мутаций (отрицательный отбор). Поставить эксперимент, который позволил бы разделить эти два эффекта, трудно, потому что мы не умеем напрямую регулировать соотношение полезных и вредных мутаций у подопытных организмов. Можно, однако, регулировать его косвенно, меняя степень благоприятности условий среды. «Благоприятность» означает, что организмы очень хорошо приспособлены именно к такой среде, все их гены подогнаны к ней оптимальным образом. Поэтому в идеальных условиях вероятность появления полезных мутаций будет минимальной. В неблагоприятной среде частота полезных мутаций должна быть выше (случайные перемены с большей вероятностью пойдут на пользу организму, если ему живется плохо). Что касается вредных мутаций, то они в обоих случаях должны возникать намного чаще, чем полезные. Однако их средняя «вредность», скорее всего, будет меньше, если условия благоприятны. Дело в том, что у организмов, как правило, есть большой запас прочности. Например, у дрожжей из 6000 генов только 1000 абсолютно необходимы для выживания в идеальных условиях, а все остальные нужны для борьбы с разного рода трудностями, то есть для жизни в неоптимальной среде (см. Зачем нужны «ненужные» гены, «Элементы», 22.04.2008). Ясно, что мутации, нарушающие работу этих «дополнительных» генов, будут в среднем более вредными в стрессовых условиях, чем в оптимальных. Все эти соображения были учтены Джереми Греем (Jeremy Gray) и Мэттью Годдардом (Matthew Goddard) из Оклендского университета (Новая Зеландия) при планировании эволюционного эксперимента, в ходе которого они попытались сравнить влияние полового размножения на эффективность положительного и отрицательного отбора. В эксперименте использовались линии дрожжей, различающиеся по скорости мутирования и по способности к половому процессу. Наряду с обычными, «дикими» дрожжами, у которых средняя частота мутирования составляет 6,9·10–8 мутаций на пару нуклеотидов за поколение (в геноме дрожжей 1,2·107 пар нуклеотидов), использовались дрожжи с удаленным геном MSH2. Этот ген участвует в исправлении ошибок в ДНК, поэтому его удаление привело к десятикратному ускорению мутагенеза — до 7,3·10–7 мутаций на пару нуклеотидов за поколение. Чтобы лишить часть подопытных линий способности к сексу, авторы удалили у них два гена (SPO11 и SPO13), необходимых для мейоза. В результате получились «бесполые» дрожжи, не отличающиеся от обычных ни по скорости размножения, ни по другим существенным характеристикам, кроме способности к половому процессу. Дрожжи размножаются бесполым путем (почкованием), пока им хватает пищи. Голодание стимулирует мейоз, в результате которого диплоидная дрожжевая клетка превращается в четыре гаплоидные споры (рис. 1). Гаплоидные клетки подразделяются на два пола (a и α). Разнополые клетки сливаются попарно, образуя диплоидную зиготу, после чего цикл повторяется. Генно-модифицированные бесполые дрожжи при голодании тоже пытаются превратиться в споры, но вместо четырех гаплоидных спор у них получаются две диплоидные, вполне жизнеспособные и не нуждающиеся в слиянии с кем бы то ни было. Всего, таким образом, авторы получили дрожжевые клетки четырех типов: Половину подопытных популяций выращивали в благоприятных условиях (при температуре 30°C в несоленой среде), остальные поместили в стрессовые условия (37°C, 1,17% NaCl). В общей сложности в эксперименте приняли участие 24 подопытные популяции: по три популяции каждого из четырех типов эволюционировали в благоприятных и столько же — в стрессовых условиях. Эксперимент продолжался в течение 300 бесполых поколений, между которыми были равномерно распределены 11 раундов полового размножения. Все популяции одновременно подвергались голоданию, что стимулировало образование гаплоидных спор у обычных дрожжей и диплоидных — у бесполых. В ходе эксперимента авторы следили за тем, как меняется приспособленность дрожжей по сравнению с предковым штаммом. Для этого подопытные дрожжи смешивали с предками в пропорции 1:1 и измеряли относительную скорость размножения эволюционировавшей популяции. В благоприятных условиях ни способность к половому размножению, ни скорость мутагенеза не повлияли на ход эволюции. Приспособленность дрожжей всех четырех типов лишь слабо колебалась и спустя 300 поколений осталась на исходном уровне (рис. 2). Это значит, что полезные мутации, по-видимому, почти не возникали (как и следовало ожидать в благоприятных условиях), и положительному отбору нечего было поддерживать. Результат соответствует общепринятому мнению, что в оптимальных условиях отрицательный (стабилизирующий) отбор преобладает над положительным (движущим). Скорость мутирования, даже искусственно повышенная, вероятно, оказалась всё же недостаточной, чтобы вызвать генетическое вырождение (снижение приспособленности) за 300 поколений.
В неблагоприятных условиях картина получилась совсем другая (рис. 3). Приспособленность популяций испытывала резкие хаотические колебания, причину которых авторы не смогли внятно объяснить (что несколько снижает достоверность полученных результатов и их интерпретаций). На фоне этих скачков наблюдался общий рост приспособленности у дрожжей, способных к половому размножению, — как у обычных, так и у «мутаторов». У бесполых дрожжей с низкой скоростью мутирования рост приспособленности был выражен намного слабее. Что же касается бесполых линий с повышенной скоростью мутирования, то их приспособленность, начиная примерно с середины эксперимента (150‑го поколения), устойчиво снижалась: началось генетическое вырождение.
Рост приспособленности в череде поколений свидетельствует о накоплении полезных мутаций. Очевидно, в неблагоприятных условиях случайные мутации действительно оказываются полезными чаще, чем в оптимальных. Эксперимент подтвердил, что половое размножение повышает эффективность положительного отбора, помогая накапливать полезные мутации. Это видно из того, что обычные дрожжи приспособились к стрессовым условиям лучше, чем бесполые (черная и зеленая пунктирные линии на рис. 3 проходят выше, чем красная и синяя). То, что в неблагоприятных условиях у бесполых дрожжей-мутаторов началось вырождение, говорит о том, что в такой ситуации отрицательный отбор уже не мог справиться с отбраковкой вредных мутаций, и они начали накапливаться. Тем временем точно такие же дрожжи, но только способные к половому размножению, в таких же условиях быстро повышали свою приспособленность. Из этого следует, что в неблагоприятных условиях важную роль играют обе формы отбора, причем половое размножение повышает эффективность обеих. Этот вывод совпадает с результатами недавних экспериментов на червях C. elegans, в которых тоже было показано, что половое размножение одновременно способствует и отбраковке вредных мутаций, и накоплению полезных (см. Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009). Скорее всего, эти два эффекта взаимосвязаны, и их не следует противопоставлять друг другу, как это пытались делать многие теоретики. Половой процесс перетасовывает гены, позволяя отбору «отделять зерна от плевел» — распространять гены с полезными мутациями, одновременно избавляясь от генов с мутациями вредными. Это две стороны одной медали, и какая из них окажется более важной в данном месте и в данное время, может зависеть от многих факторов, включая темп мутагенеза и благоприятность условий. Если предложенные авторами интерпретации верны, то отсутствие вырождения у бесполых дрожжей-мутаторов в благоприятных условиях объясняется только тем, что мутагенез у них был ускорен недостаточно сильно. Можно ожидать, что при дальнейшем ускорении мутагенеза бесполые дрожжи будут вырождаться и в оптимальных условиях, в то время как дрожжи, способные к сексу, при том же темпе мутирования вырождаться не будут. Проверка этого предсказания могла бы повысить достоверность выводов, сделанных авторами. Источник:Jeremy C. Gray, Matthew R. Goddard. Sex enhances adaptation by unlinking beneficial from detrimental mutations in experimental yeast populations // BMC Evolutionary biology. 2012. V. 12. P. 43. |
Рис. 1. Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces cerevisae. Изображение с сайта upload.wikimedia.org
Рис. 2. Эволюция четырех разновидностей дрожжей в благоприятных условиях. По вертикальной оси — относительная приспособленность (по сравнению с предковым штаммом), по горизонтальной — поколения.Черная линия (Sex WT) — популяции с нормальной скоростью мутирования, способные к половому размножению; зеленая (Sex mutator) — с повышенной скоростью мутирования, способные к половому размножению; красная (Asex WT) — с нормальной скоростью мутирования, бесполые; синяя (Asex mutator) — с повышенной скоростью мутирования, бесполые. Изображение из обсуждаемой статьи в BMC Evolutionary biology
