«Эгоистичные» гены дрожжей убивают споры, в которых их нет

Существуют аллели, которые не подчиняются законам Менделя, то есть они передаются более, чем половине потомков. Такие гены называют мейотическими драйверами. У эукариот достаточно много драйверов с различным происхождением и механизмом действия. Мало известно о молекулярных подробностях работы таких систем.

Мейотические драйверы называют «эгоистическими» или паразитическими генами, так как, распространяясь, они не приносят пользу организму и могут даже вредить. Особо выделяют гены-киллеры, которые убивают гаметы (в случае дрожжей — споры), в которые не попал драйвер. Такие гены могут наследовать до 100% потомков.

В новой работе исследователи из США изучили мейотические драйверы семейства генов wtf (with transposon fission yeast) у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe. Эти гены убивают споры, не унаследовавшие их от гетерозигот, с помощью двух белков, которые считываются с двух перекрывающихся последовательностей. Это белок Wtf4^poison (убивает споры) и Wtf4^antidote (спасает споры, унаследовавшие драйвер). После мейоза гетерозигот Wtf4^poison находят во всех спорах, а Wtf4^antidote обогащен в спорах, унаследовавших драйвер. Изучение механизма работы драйверов важно для понимания влияния этих паразитов на организм.

Авторы внесли в дрожжи аллель wtf4^poison-GFP, который не экспрессирует Wtf4^antidote, а также аллель mCherry-wtf4, где тэг присоединен к Wtf4^antidote; последний аллель экспрессирует Wtf4^poison без метки. Получив гетерозиготный диплоид mCherry-wtf4 / wtf4^poison-GFP, они визуализировали экспрессию этих двух белков. Первоначально авторы показали, что Wtf4^poison-GFP экспрессируется за несколько часов до mCherry-Wtf4^antidote. Сигнал GFP был найден во всех спорах, не только в тех, что получили аллель wtf4^poison-GFP. По-видимому, Wtf4^poison вырабатывается еще до формирования спор и упаковывается во все споры. Белок не может свободно передвигаться между спорами. Однако дополнительные опыты с Wtf4^antidote с тэгом на С-конце показали, что этот белок также образуется до формирования спор, и дополнительно – после.

После этого ученые экспрессировали флуоресцентные белки mCherry и GFP под контролем промоторов wtf4^antidote и wtf4^poison (p^antidote и p ^poison). Репортер p^antidote-mCherry показал низкий уровень сигнала в диплоидах, проходящих мейоз; самый сильный сигнал наблюдался в двух из четырех спорах. Репортер p^poison-GFP экспрессировался в диплоидных клетках, проходящих мейоз. GFP-сигнал обнаруживался во всех четырех спорах при том, что только две споры унаследовали p^poison-GFP. Это подтверждает вывод о том, что большая часть Wtf^poison образуется до формирования спор.

Раньше уже было показано, что транскрипционный фактор Mei4 контролирует транскрипцию генов wtf. В новой работе авторы уточнили, что Mei4 управляет экспрессией wtf4^poison.

Далее ученые поменяли у этих двух генов промоторы. Фенотип дрожжей, несущих p^poison-wtf4^antidote-GFP, сравнивали с теми, что несли функциональный аллель wtf4^antidote-GFP. Оказалось, что p^poison-wtf4^antidote-GFP не может подавить мейотический драйв целого драйвера wtf4, в отличие от контрольного wtf4^antidote-GFP.

Авторы задались вопросом, почему Wtf4^poison, экспрессируемый с промотора p^poison, может отравить все споры, а Wtf4^antidote, экспрессируемый с того же промотора, не может спасти все споры. Они предположили и получили доказательства того, что белок Wtf4^antidote лучше выводится из спор. Более того, Wtf4^antidote способствует исключению части белка Wtf4^poison.

Авторы создали конструкцию p^antidote-wtf4^poison-GFP, однако им не удалось получить штамм, несущий ее без wtf4^antidote. Видимо, использование промотора p^antidote приводит к тому, что Wtf4^poison экспрессируется во время вегетативного роста, убивая клетки без wtf4^antidote.

Wtf4^poison, экспрессируемый с p^antidote, не убивает споры, которые не унаследовали аллель, его кодирующий. Вероятно, Wtf4^antidote лучше предотвращает вхождение Wtf4^poison в споры, если они экспрессируются одновременно с одного промотора.

В новой работе ученые получили несколько важных результатов. При драйве гена wtf4 на все споры воздействует токсин Wtf4^poison, и только те споры, которые наследуют аллель wtf4, получают достаточно Wtf4^antidote, чтобы выжить. Раньше ученые наблюдали Wtf4^poison в мейотических клетках до формирования спор, а Wtf4^antidote — только в спорах. Возникал вопрос, как мейотические клетки сами не отравляются токсином. Новое исследование показало, что Wtf4^antidote также экспрессируется в клетках, переживающих мейоз. Также наличие двух промоторов с различной регуляцией необходимо для обеспечения мейотического драйва.

Частоту вредных мутаций снижают эпигенетические механизмы?