Лучше с кем-то, чем с собой

У червей-нематод спаривание с самцами дает более здоровое потомство, чем самовоспроизводство гермафродитов

Потомство, возникшее в результате самовоспроизводства, оказывается более восприимчивым к генетическим мутациям, чем поколение, появившееся после спаривания разнополых особей у червей-нематод. Ученые полагают, что в этом и заключается преимущество разнополого размножения.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3220888",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3275712_i_2"
}

«Зачем заниматься сексом с кем-то, если можно иметь секс с самим собой?» — таким неожиданно интригующим вопросом начинается представление одной из статей нового номера журнала Nature, вышедшего в четверг. Однако данная публикация вовсе не затрагивает вопросы половой жизни человека и посвящена исследованиям, результаты которого способствуют лучшему пониманию ряда вопросов эволюционной биологии — раздела биологии, который изучает происхождение видов, наследственность, изменчивость признаков, размножение и разнообразие форм.

В частности эволюционисты пытаются понять, почему некоторые виды животных и простейших организмов предпочитают разнополое размножение самовоспроизводству по аналогии самоопыления у ряда растений.

Для того чтобы прояснить этот вопрос, ученые Университета штата Орегон (США) провели исследования процесса размножения у червей нематод C.elegans.

Caenorhabditis elegans

свободноживущая нематода (круглый червь) около 1 мм в длину. Его исследования в молекулярной биологии и биологии развития начались в 1974 работами Сиднея Бреннера. Широко используется как модельный организм в исследованиях по генетике, нейрофизиологии, биологии развития. Мартин Чалфи использовал C. elegans при исследовании зелёного флуоресцентного белка.

C. elegans был первым многоклеточным организмом, чей геном был полностью секвенирован. Полная последовательность была опубликована в 1998, однако в ней оставались небольшие пробелы (последний был закрыт в октябре 2002). Геном C. elegans имеет длину приблизительно 100 миллионов пар оснований и содержит приблизительно 20 000 генов. Большинство этих генов кодирует белки, но, вероятно, среди них есть примерно 1 000 генов РНК. Учёные продолжают уточнять множество известных генов.

В 2003 также была определена генная последовательность родственной нематоды C. briggsae. Это позволило исследователям провести сравнительный генетический анализ двух близких организмов. В настоящее время продолжается работа над определением генных последовательностей других нематод того же рода, таких как C. remanei, C. japonica и C. brenneri. Эти новые генные последовательности получены с использованием техники «Whole-Genome Shotgun», а это значит, что результаты скорее всего не будут такими полными и аккуратными как C. elegans (который был секвенирован с использованием 'иерархического' метода «Clone-by-Clone»).

Официальная версия генной последовательности C. elegans продолжает изменяться по мере того, как новые исследования находят ошибки в первоначальной последовательности (секвенирование ДНК не защищёно от ошибок). Большинство изменений обычно незначительны, добавляется или удаляется только несколько комплементарных пар оснований ДНК. Например, версия WS169 WormBase (декабрь 2006) содержит 6 изменений последовательности. Изредка производятся более серьёзные изменения, например, версия WS159 сделанная в мае 2006, добавила в последовательность более 300 пар.

У С. elegans два пола, самцы (ХО) и гермафродиты (ХХ), которые являются самками приобретшими способность к сперматогенезу. У С. elegans пол определяется механизмом XX — ХО, значение имеет отношение числа X-хромосом к числу наборов аутосом. Половое развитие всех соматических клеток контролируется регуляторным путем, активность которого различается у разных полов. Этот путь называют глобальным, в отличие от путей, контролирующих развитие отдельных тканей. Так же этот путь отвечает за контроль дозовой компенсации, процесс, приводящий к равной экспрессии X-связанных генов у обоих полов.

В общем, количество X-хромосом контролирует серию ингибиторных реакций, которая в конце определяет активность конечного регулятора tra-1(transformer-1). А он определяет половую дифференциацию организма.

Каскад половой дифференциации запускается в раннем эмбрионе отношением числа X-хромосом к числу наборов аутосом. Оно влияет на экспрессию xol-1 (XO lethal 1). При большом отношении (хх) она угнетается, а при низком — нет. В X-хромосоме закодированы «нумераторы». Всего их 4, но изучены только 2 элемента: fox-1, РНК — связывающий белок, который может посттранскрипционно ингибировать хо1-1, и sex-1, он родственен ядерным рецепторам гормонов и ингибирует хо1-1 связываясь с его промотером. Аутосомальные «деноминаторы» имеют противоположенное действие, они кодируют регуляторы транскрипции.

Xol -1 подавляет активность sdc. Они входят в большой белковый комплекс, связывающийся с X-хромосомой и на половину уменьшающий ее транскрипцию. Sdc-2 так же связывается с промотером her-1 и уменьшают его транскрипцию в 20 раз по сравнению с ХО — животными. HER-1 — это маленький секретируемый белок, отвечающий за мужское развитие клеток неавтономным способом. Он ингибирует tra-2, который при этом не может связаться с fem, он удерживает tra-1 в цитоплазме и развитие происходит по мужскому пути. Перемещение в ядро транскрипционного фактора tra-1 означает реализацию гермафродитного фенотипа. При этом белок fem диссоциирует с tra-1 и связывается с белком tra-2.

Эти черви являются известными «помощниками» биологов в их научных изысканиях. Причина этого — в коротком жизненном цикле нематод (в среднем один червь живет около трех дней), небольшом размере (их длина не превышает 1,5 миллиметра) и достаточно простой структуре (это первый многоклеточный организм, чей геном был расшифрован). Кроме того, одна нематода в среднем производит 300–350 потомков, что позволяет биологам в полной мере наблюдать процесс размножения и эволюции этих червей.

Размножение у C.elegans происходит достаточно необычно. У нематод этого вида два пола: один — мужской, а второй пол представляет собой гермафродитов, то есть это самки, которые имеют способность сперматогенеза.

Гермафродиты могут размножаться как вследствие спаривания с самцами, так и в результате самовоспроизводства.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2929297",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3275712_i_3"
}

В ходе работы ученые провели порядка сотни экспериментов, изучая размножение и эволюцию нематод, живущих в различных биологических средах. Оказалось, что в результате самовоспроизводства у C.elegans повышалась восприимчивость к генетическим мутациям. Потомство же, полученное в результате спаривания гермафродита с самцом, оказывалось более здоровым и значительно лучше адаптировалось к изменениям окружающей среды.

«Неспособность потомства, появившегося вследствие самовопроизводства, адаптироваться к изменениям среды обитания объясняет, почему его представители имеют смертность гораздо больше, чем у тех червей, которые появились на свет в результате разнополого скрещивания», — поясняет один из авторов работы, Леви Моррэн.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2876931",
    "incutNum": 4,
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3275712_i_4"
}

Вопрос роли особей мужского пола в эволюции видов, которые имеют возможность самовоспроизводства, был довольно спорным, так как самцы не производят потомства и в какой-то степени являются бесполезными.

Но исследования нематод C.elegans доказывают, что это не так.

Генетическое разнообразие, которое обеспечивается самцами, позволяет следующему поколению организмов жить настолько «долго и счастливо», насколько эти понятия могут быть применены к червям. И это, считают авторы работы в Nature, объясняет, почему разнополое размножение в разных природных популяциях является скорее правилом, чем исключением.