Как добиваются успеха эгоистичные гены дрожжей
Новые данные из Института медицинских исследований Стоуэрс раскрывают важные детали о том, как функционирует и выживает опасный эгоистичный ген — считающийся паразитической частью ДНК. Понимание этой динамики — ценный ресурс для научного сообщества, изучающего системы мейотического драйва.
Исследование, опубликованное в PLoS Genetics 7 декабря 2022 года, показывает, как эгоистичный ген дрожжей использует стратегию «яд–противоядие», которая обеспечивает его работу и, вероятно, способствовала его долгосрочному эволюционному успеху. Эта стратегия — важное дополнение для учёных, изучающих подобные системы, включая команды, разрабатывающие синтетические системы драйва для контроля патогенных вредителей.
«Довольно опасно для генома кодировать белок, способный убить организм, — говорит доктор Сара Зандерс, — однако понимание биологии этих эгоистичных элементов может помочь нам создать синтетические драйверы для изменения природных популяций».
Драйверы — это эгоистичные гены, которые могут распространяться в популяции быстрее большинства других генов, не принося пользы организму. Предыдущие исследования лаборатории Зандерс показали, что ген драйвера у дрожжей, wtf4, производит ядовитый белок, способный уничтожить всё потомство. Однако драйв достигается, когда wtf4 находится только на одной хромосоме из пары родительской клетки. Эффект — одновременное спасение только того потомства, которое унаследовало аллель драйвера, за счёт дозы очень похожего белка, нейтрализующего яд, — противоядия.
В новом исследовании под руководством доктора Николь Наколлс и Ананьи Нидамангала Шриниваса из лаборатории Зандерс было обнаружено, что различия во времени генерации белков яда и противоядия из wtf4 и их уникальное распределение внутри развивающихся спор фундаментальны для процесса драйва.
Команда разработала модель действия яда, который, как показывают результаты, убивает спору (эквивалент яйцеклетки или сперматозоида у дрожжей). Белки яда собираются в кластеры, потенциально нарушая правильную укладку других белков, необходимых для работы клетки. Поскольку ген wtf4 кодирует и яд, и противоядие, противоядие очень похоже по форме и группируется вместе с ядом. Однако у противоядия есть дополнительная часть, которая, по-видимому, изолирует кластеры «яд–противоядие», направляя их в «мусорное ведро» клетки — вакуоль.
Изучая начало формирования спор, исследователи обнаружили, что белок яда экспрессируется во всех развивающихся спорах и окружающем их мешочке, в то время как белок противоядия был виден только в низкой концентрации по всему мешочку. Позже, в процессе развития, противоядие накапливалось внутри спор, унаследовавших wtf4 от родительской клетки дрожжей. Споры, унаследовавшие ген драйвера, производили дополнительный белок противоядия внутри себя, чтобы нейтрализовать яд и обеспечить своё выживание.
Команда также обнаружила, что определённый молекулярный переключатель, контролирующий многие другие гены, участвующие в образовании спор, также контролирует экспрессию яда (но не противоядия) из гена wtf4. Этот переключатель необходим для размножения дрожжей и неразрывно связан с wtf4, что помогает объяснить, почему этот эгоистичный ген так успешно избегает любых попыток организма-хозяина отключить переключатель.
«Одна из причин, по которой мы думаем, что эти элементы сохранялись так долго, — они использовали эту скрытную стратегию эксплуатации того же самого важного переключателя, который включает размножение дрожжей», — говорит Нидамангала Шриниваса.
«Если бы мы могли манипулировать этими паразитами ДНК, чтобы они экспрессировались у комаров и вызывали их уничтожение, это могло бы стать способом контроля видов-вредителей», — говорит Наколлс.