Уроки из пруда: Зелёные водоросли подсказывают происхождение мужского и женского пола
Многоклеточная зелёная водоросль Volvox carteri может, наконец, раскрыть секреты эволюции разных полов. Команда под руководством исследователей из Института биологических исследований Солка показала, что генетическая область, определяющая пол у Volvox, изменилась кардинально по сравнению с таковой у близкородственной одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii.
Их выводы, которые будут опубликованы 16 апреля в журнале Science, впервые предоставляют эмпирические доказательства модели эволюции двух разных полов, согласно которой расширение области, определяющей пол, создаёт генетическое разнообразие, за которым следует приобретение генами новых функций, связанных с производством мужских и женских репродуктивных клеток — гамет.
«До сих пор хромосомы, определяющие пол, обычно рассматривались как области упадка, постепенно теряющие гены, не вовлечённые в половое размножение, — объясняет Джеймс Умен, доктор философии, ведущий автор исследования. — Наше исследование показывает обратное — такие области могут расширяться и генерировать новый генетический материал гораздо быстрее, чем остальная часть генома».
Большинство многоклеточных организмов, таких как растения и животные, имеют два различных пола: самки производят крупные неподвижные яйцеклетки, а самцы — мелкие подвижные сперматозоиды. Хотя одноклеточные организмы также могут размножаться половым путём, два пола у одноклеточных видов, как правило, неразличимы и считаются предковым или ранним эволюционным состоянием. Однако большое эволюционное расстояние между растениями или животными и их ближайшими одноклеточными родственниками мешало понять переход к половому диморфизму.
«У одноклеточных организмов, таких как Chlamydomonas, гаметы выглядят одинаково. В отличие от них, многоклеточные организмы, включая Volvox, производят яйцеклетки и сперматозоиды — они явно мужские и женские. При этом никто по-настоящему не знает, как происходит эволюция самцов и самок или какие генетические изменения для этого потребовались», — поясняет Умен.
Хотя геномы Chlamydomonas и Volvox схожи в большинстве аспектов, есть одно яркое исключение, которое дало исследователям возможность изучить происхождение полов — так называемый локус спаривания, который функционирует почти так же, как человеческие X и Y хромосомы, определяя пол.
Исследовав гены локуса спаривания у Chlamydomonas и Volvox, команда обнаружила, что они имеют некоторые общие гены, как и можно было ожидать от близкородственных видов. Однако у Volvox также появилось удивительное разнообразие новых генов, добавленных к его расширенному локусу спаривания, и экспрессия многих из этих генов попала под контроль программ мужской или женской дифференцировки.
«Мы обнаружили, что локус спаривания Volvox примерно в пять раз больше, чем у Chlamydomonas, — говорит доктор философии Патрик Феррис. — Мы хотели понять эволюционную основу этого. Как это произошло? И откуда взялись эти новые гены?»
Чтобы проследить происхождение добавленных генов, команда проверила, можно ли найти их и у Chlamydomonas. «Мы обнаружили, что хотя некоторые гены локуса спаривания у Volvox совершенно новые, многие из них имеют аналоги в Chlamydomonas, расположенные рядом с локусом спаривания, — объясняет доктор философии Брэдли Олсон. — Таким образом, Volvox взял эти гены, изначально не имевшие отношения к полу, включил их в свой локус спаривания и начал использовать некоторые из них в своём половом репродуктивном цикле».
Команда сейчас изучает эти новые гены локуса спаривания, чтобы понять их индивидуальные роли в определении пола и половом развитии.
Они уже идентифицировали ген локуса спаривания Volvox под названием MAT3, который, по-видимому, приобрёл новую роль в половой дифференцировке. MAT3 родственен человеческому гену-супрессору опухолей ретинобластомы, который контролирует деление клеток и часто мутирует в раковых клетках. У Volvox MAT3, вероятно, играет роль в контроле деления клеток, как и у животных и растений, но также приобрёл интригующие полоспецифичные различия в своей последовательности и паттерне экспрессии, которые коррелируют с различиями в развитии мужских и женских репродуктивных структур. Лаборатория Умена продолжает изучать эту находку, чтобы определить новую эволюционную роль MAT3 в спецификации пола у Volvox.
«Это исследование показывает, что Volvox и его родственники — мощная модель для изучения эволюции пола, — говорит Умен. — Она предоставляет нам систему, в которой мы можем восстановить эволюционную историю, чтобы задавать вопросы о происхождении пола и других признаков, которые трудно изучать в таких группах, как растения и животные».
Команда также работает с коллабораторами над изучением локуса спаривания у эволюционного промежуточного звена между Chlamydomonas и Volvox — водоросли Gonium, которая имеет от 4 до 16 клеток. «Gonium позволяет нам взглянуть на эволюционные шаги между Chlamydomonas и Volvox, чтобы лучше понять, как происходил эволюционный процесс», — говорит Феррис.