Расшифровка общего генетического инструментария для определения мужского пола
Ученые из Института биологии Макса Планка в Тюбингене совершили прорыв, продемонстрировав, что ген с HMG-боксом у бурых водорослей критически важен для определения мужского пола. Это открытие значительно расширяет понимание механизмов определения пола у эукариот. До сих пор гены-мастера определения пола были идентифицированы лишь у ограниченного числа позвоночных и растений.
Опубликованное в журнале Science, это исследование проливает свет на эволюционные параллели в путях развития животных и водорослей, несмотря на миллионы лет их независимой эволюции. Оно подчеркивает использование общего генетического инструментария у разных линий и исследует отдаленные эволюционные конвергенции.
Загадочная U/V система половых хромосом у бурых водорослей
Бурые водоросли — морские многоклеточные фотосинтезирующие эукариоты. Они независимо от растений и животных развили ключевые биологические признаки, такие как многоклеточность, сложные жизненные циклы и половые хромосомы. Это делает их отличными модельными организмами для изучения эволюции размножения.
Отличительная черта бурых водорослей — система половых хромосом U/V. Они определяют свой пол на гаплоидной стадии (с одной копией генома), в отличие от диплоидных животных. Водоросль несет либо мужскую V, либо женскую U хромосому, что и определяет ее пол.
Более десяти лет назад под руководством доктора Сузаны Коэльо исследователи идентифицировали специфичный для пола регион на мужской V-хромосоме, содержащий ген, кодирующий HMG-боксный белок, названный MIN (Male Inducer).
HMG-бокс — это ДНК-связывающий домен, универсально присутствующий у эукариот, включая человеческий фактор определения пола SRY. Однако доступные тогда методы не могли доказать, что MIN запускает мужской путь развития.
CRISPR/Cas-редактирование раскрывает функцию гена MIN
С появлением технологии CRISPR/Cas («генетических ножниц») ученые смогли точно отредактировать геном бурых водорослей, чтобы проверить функцию MIN, создав мутантов с потерей функции.
Результат был однозначным: у мутантных линий отсутствовал сложный брачный танец мужских гамет. В отсутствие MIN гаметы становились полностью нечувствительными к женскому феромону.
Доктор Коэльо отмечает: «Когда мы "выключили" ген MIN, мы не наблюдали смены пола. Вместо этого мужские особи становились бесполыми. Это потому, что у них отсутствует комплементарная женская U-хромосома. Это предполагает, что фактор, индуцирующий женский пол на U-хромосоме, еще предстоит открыть».
Эволюционная конвергенция на общем генетическом инструментарии
Последний общий предок водорослей и животных был одноклеточным и не имел половых хромосом. Происхождение домена HMG-бокса можно проследить до последнего общего эукариотического предка, тогда как MIN эволюционировал позже в общем предке бурых водорослей.
Факторы определения пола у бурых водорослей, грибов и млекопитающих содержат гомологичный домен HMG-бокса, что указывает на их происхождение от общих предковых генов.
Доктор Викрам Алва подчеркивает: «MIN и SRY гомологичны, но не ортологичны; они были получены до расхождения линий на разные организмы. Их функциональное сходство — пример конвергентной эволюции, при которой домен HMG-бокса адаптировал сходную роль у разных организмов независимо».
«Животные и бурые водоросли независимо использовали сходные "строительные блоки" для достижения одного результата — определения мужского пола», — поясняет доктор Хосуэ Баррера-Редондо.
Будущие исследования будут направлены на идентификацию гена-мастера, определяющего женский пол у бурых водорослей, и на понимание их бесполого фенотипа при отсутствии U-хромосомы. Это открытие позволяет глубже изучить эволюционную динамику механизмов определения пола у различных организмов, выходя за рамки традиционных моделей животных и растений.