«Эгоистичные» гены дрожжей убивают споры, в которых их нет
Мейотические драйверы, или «эгоистичные» гены дрожжей wtf4 работают по принципу яд-антидот. Сами гены кодируют и яд, и антидот, но основная часть яда начинает вырабатываться до формирования спор и заражает их все. После этого споры, получившие wtf4, синтезируют дополнительный антидот и спасаются. Немного антидота вырабатывается и до формирования спор, чтобы не погибла сама мейотическая клетка. Для мейотического дрейфа у дрожжей важно, чтобы яд и антидот экспрессировались с разных промоторов.
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 Wtf4poison (убивает споры) и Wtf4antidote (спасает споры, унаследовавшие драйвер). После мейоза гетерозигот Wtf4poison находят во всех спорах, а Wtf4antidote обогащен в спорах, унаследовавших драйвер. Изучение механизма работы драйверов важно для понимания влияния этих паразитов на организм.
Авторы внесли в дрожжи аллель wtf4poison-GFP, который не экспрессирует Wtf4antidote, а также аллель mCherry-wtf4, где тэг присоединен к Wtf4antidote; последний аллель экспрессирует Wtf4poison без метки. Получив гетерозиготный диплоид mCherry-wtf4 / wtf4poison-GFP, они визуализировали экспрессию этих двух белков. Первоначально авторы показали, что Wtf4poison-GFP экспрессируется за несколько часов до mCherry-Wtf4antidote. Сигнал GFP был найден во всех спорах, не только в тех, что получили аллель wtf4poison-GFP. По-видимому, Wtf4poison вырабатывается еще до формирования спор и упаковывается во все споры. Белок не может свободно передвигаться между спорами. Однако дополнительные опыты с Wtf4antidote 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 wtf4antidote и wtf4poison (pantidote и p poison). Репортер pantidote-mCherry показал низкий уровень сигнала в диплоидах, проходящих мейоз; самый сильный сигнал наблюдался в двух из четырех спорах. Репортер ppoison-GFP экспрессировался в диплоидных клетках, проходящих мейоз. GFP-сигнал обнаруживался во всех четырех спорах при том, что только две споры унаследовали ppoison-GFP. Это подтверждает вывод о том, что большая часть Wtfpoison 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 wtf4poison.
Далее ученые поменяли у этих двух генов промоторы. Фенотип дрожжей, несущих ppoison-wtf4antidote-GFP, сравнивали с теми, что несли функциональный аллель wtf4antidote-GFP. Оказалось, что ppoison-wtf4antidote-GFP не может подавить мейотический драйв целого драйвера wtf4, в отличие от контрольного wtf4antidote-GFP.
Авторы задались вопросом, почему Wtf4poison, экспрессируемый с промотора ppoison, может отравить все споры, а Wtf4antidote, экспрессируемый с того же промотора, не может спасти все споры. Они предположили и получили доказательства того, что белок Wtf4antidote лучше выводится из спор. Более того, Wtf4antidote способствует исключению части белка Wtf4poison.
Авторы создали конструкцию pantidote-wtf4poison-GFP, однако им не удалось получить штамм, несущий ее без wtf4antidote. Видимо, использование промотора pantidote приводит к тому, что Wtf4poison экспрессируется во время вегетативного роста, убивая клетки без wtf4antidote.
Wtf4poison, экспрессируемый с pantidote, не убивает споры, которые не унаследовали аллель, его кодирующий. Вероятно, Wtf4antidote лучше предотвращает вхождение Wtf4poison 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 Wtf4poison, и только те споры, которые наследуют аллель wtf4, получают достаточно Wtf4antidote, чтобы выжить. Раньше ученые наблюдали Wtf4poison в мейотических клетках до формирования спор, а Wtf4antidote — только в спорах. Возникал вопрос, как мейотические клетки сами не отравляются токсином. Новое исследование показало, что Wtf4antidote также экспрессируется в клетках, переживающих мейоз. Также наличие двух промоторов с различной регуляцией необходимо для обеспечения мейотического драйва.
Источник:
Nicole L. Nuckolls, et al. S. pombe wtf drivers use dual transcriptional regulation and selective protein exclusion from spores to cause meiotic drive // PLOS Genetics (2022), published December 07, 2022, DOI: 10.1371/journal.pgen.1009847