![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
macroevolutionУ меня недавно статья вышла, в которой излагается гипотеза о происхождении эукариотического полового процесса из механизмов прокариотического горизонтального переноса генов под действием отбора на повышение интенсивности генетического обмена (рус. англ.)
И в связи с этим возникла переписка со специалистами по галофильным (солелюбивым) археям, или галоархеям. Потрясающие твари, которые, возможно, ближе всех прокариот подошли к чему-то, похожему на эукариотический секс. Поскольку я скоро отправлюсь на Белое море и все забуду, решил сделать тут небольшой обзорчик - для себя, ну и, может быть, кому-то еще интересно. В принципе хочу потом сделать компьютерную модель, очень уж любопытная у этих тварей генетика. Текст не популярный, sorry.
ГАЛОАРХЕИ
вместе с метаногенами и некоторыми другими причудливыми микробами относятся к типу Euryarchaeota. Особенно хорошо изучен Haloferax volcanii, живущий в донных отложениях Мертвого моря. Он легко культивируется в лаборатории. Главное, чтобы у тары, в которой он живет, не было металлических частей, контактирующих с "питательной средой". Разъест.
1. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС.
Причина, по которой Haloferax вообще всплыл в рамках темы о происхождении полового размножения, состоит в том, что у него обнаружен необычный для прокариот половой процесс. Это конъюгация с образованием цитоплазматических мостиков между клетками, причем между двумя клетками может быть сразу несколько мостиков; даже несколько клеток могут объединяться в некую сеть.
Так это выглядит на электронных микрофотографиях из статьи с первоописанием конъюгации Haloferax ( Rosenshine I., Tchelet R., Mevarech M. 1989. The Mechanism of DNA Transfer in the Mating System of an Archaebacterium).
При этом каждая клетка может быть как донором, так и реципиентом генетического материала (у других прокариот передача генов обычно строго однонаправленная). Передаются и плазмиды, и геномная ДНК. Некоторые авторы считают, что в определенных условиях возможно даже слияние клеток (cell fusion), хотя другие оспаривают это.
Схема гипотетического слияния клеток у Haloferax. Из: Ortenberg, R.T., and Mevarech, R.M. (1999). Exchange system of the extremely halophilic archaeon Haloferax volcanii. In Microbiology and Biogeochemistry of Hypersaline Environments, A. Aharon, ed. (CRC press), pp. 331–338.
Недавно были проведены эксперименты по межвидовой гибридизации Haloferax (Adit Naor, Pascal Lapierre, Moshe Mevarech, R. Thane Papke, and Uri Gophna. Low Species Barriers in Halophilic Archaea and the Formation of Recombinant Hybrids // Current Biology. 2012. 22, 1444–1448). Кроме вида volcanii из Мертвого моря есть еще второй вид, Haloferax mediterranei, из соленого озера в Испании. Сходство их геномов - всего лишь 86,6%. При этом в лаборатории они отлично скрещивались и менялись генами. В хромосомах потом обнаруживались "чужие" куски длиной от 310Kb до 530Kb (полный геном - 4000Kb). То есть здоровенные куски. Может быть, они способны во время конъюгации даже целыми кольцевыми хромосомами обмениваться?
Вот резюме этой статьи для полноты картины:
Speciation of sexually reproducing organisms requires reproductive barriers. Prokaryotes reproduce asexually but often exchange DNA by lateral gene transfer mechanisms and recombination [1], yet distinct lineages are still observed. Thus, barriers to gene flow such as geographic isolation, genetic incompatibility or a physiological inability to transfer DNA represent potential underlying mechanisms behind preferred exchange groups observed in prokaryotes [2–6]. In Bacteria, experimental evidence showed that sequence divergence impedes homologous recombination between bacterial species [7–11]. Here we study interspecies gene exchange in halophilic archaea that possess a parasexual mechanism of genetic exchange that is functional between species [12, 13]. In this process, cells fuse forming a diploid state containing the full genetic repertoire of both parental cells, which facilitates genetic exchange and recombination. Later, cells separate, occasionally resulting in hybrids of the parental strains [14]. We show high recombination frequencies between Haloferax volcanii and Haloferax mediterranei, two species that have an average nucleotide sequence identity of 86.6%. Whole genome sequencing of Haloferax interspecies hybrids revealed the exchange of chromosomal fragments ranging from 310Kb to 530Kb. These results show that recombination barriers may be more permissive in halophilic archaea than they are in bacteria.
Галоархеи меняются генами с родней так часто, что локусы у них фактически не сцеплены (Thane Papke, personal communication), отбираются независимо, т.е. горизонтальный перенос генов у них вполне справляется с задачами, которые у эукариот возложены на половое размножение. Вот работа, сделанная на другом представителе галоархей, Halorubrum (живет в бассейнах для выпаривания соли):
R. Thane Papke, Jeremy E. Koenig, Francısco Rodrıguez-Valera, W. Ford Doolittle. Frequent Recombination in a Saltern Population of Halorubrum // Science. 2004. V. 306. P. 1928-1929.
2. ПОЛИПЛОИДНОСТЬ.
В дальнейшем обнаружилось, что Haloferax - сильно полиплоидная тварь. У него примерно 20 копий кольцевой хромосомы в каждой клетке. Более того, все другие виды эвриархей (галоархеи и метаногены), которых проверили на этот счет (таких видов было 6, см. ниже статью Soppa) тоже оказались полиплоидными. А вот представители другого типа архей - кренархеоты - оказались моноплоидными (почему-то прокариот с одной копией хромосомы не рекомендуют называть гаплоидными, нужно говорить "моноплоид").
Зачем галоархеям полиплоидность - не совсем очевидно. Обычно считается, что полиплоидность нужна прокариотам, живущим в сильно мутагенной среде, для репарации разрывов двойной спирали (см.: Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации). Запасные копии хромосом служат матрицами для восстановления (путем гомологичной рекомбинации) поврежденных копий. Однако это объяснение не проходит в случае с Haloferax, потому что этот микроб на самом деле не отличается повышенной устойчивостью к двойным разрывам (например, он не более устойчив к ультрафиолету, чем E.coli; Thorsten Allers, personal communication).
Другие возможные преимущества полиплоидности:
-- "лишняя" ДНК может быть просто запасным полимером: действительно, при голодании галоархеи "съедают" свои избыточные хромосомы (Zerulla et al., 2014);
-- Может быть, имеет значение возможность "тестирования" новых аллелей путем постепенного повышения числа копий;
-- Уменьшает риски при захвате чужой ДНК?
-- Потенциальные преимущества гетерозиготности (но этому мешает генная конверсия, см. ниже).
Так или иначе, галоархеи полиплоидны, и это может быть общим свойством всех Euryarchaeota.
3. "ХРАПОВИК МЁЛЛЕРА"
Полиплоидность у бесполых организмов создает угрозу накопления вредных рецессивных мутаций. Это по идее должно очень быстро привести к вырождению и вымиранию. В разных хромосомах будут свои наборы вредных мутаций, но микроб не умрет, пока у него остается хотя бы несколько исправных копий каждого гена. В итоге скоро неиспорченных хромосом вообще не останется, и при делении всё чаще будут получаться нежизнеспособные потомки. Утверждается даже, что полиплоидный бесполый организм поэтому вообще не может существовать.
Значит, галоархеи должны были научиться как-то нейтрализовать эту опасность. Я вижу три способа это сделать.
Первый - универсальный - почаще меняться генами с родственниками, т.е. не быть бесполым! Галоархеи, как мы знаем, очень стараются именно так и поступать.
Второй - унификация хромосом путем генной конверсии (см. ниже).
Третий - вообще интересный - изобрести митоз! Да, действительно, если при делении в дочерние клетки будут отправляться не абы какие хромосомы, а аккуратненько - по одной реплике каждой из имеющихся у родителя хромосом, то проблема исчезает! Правда, после этого организм из полиплоидного с множеством копий одной и той же хромосомы очень быстро превратится в гаплоидный с множеством разных хромосом, которые только все вместе смогут обеспечивать жизнь организма. Может быть, так оно всё и было при становлении эукариот? Стоит подумать и помоделировать. Меня заинтриговало то обстоятельство, что размышления о происхождении эукариот и полового размножения как-то сами собой, естественным образом подвели к возможному стимулу для появления митоза. А еще надо учесть, что мейоз, как утверждают специалисты по мейозу, мог развиться только у организмов, уже имевших митоз, т.к. мейоз - это очевидная "надстройка" на механизме митоза.
4. УНИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ ПУТЕМ ГЕННОЙ КОНВЕРСИИ.
Бесполый (или редко меняющийся генами) полиплоид может спастись от вырождения, постоянно унифицируя свои хромосомы путем генной конверсии. То есть устраняя всякую гетерозиготность на корню, "переписывая" аллели с одних хромосом на другие (при этом одни аллели затираются, другие распространяются среди многочисленных копий генома внутри одной клетки, вплоть до полной гомозиготности).
Генная конверсия - это асимметричный вариант гомологичной рекомбинации, то есть не обмен участками между двумя молекулами ДНК, а уничтожение информации на одной молекуле и замена ее информацией с другой. В отличие от кроссинговера, который представляет собой симметричный вариант гомологичной рекомбинации, когда аллели не теряются и не уничтожаются, а просто перетасовываются.
При помощи генной конверсии, унифицируя копии генома, борются с накоплением вредных мутаций пластиды растений (они ведь тоже полиплоидные и бесполые) (Olga Khakhlova and Ralph Bock. Elimination of deleterious mutations in plastid genomes by gene conversion. The Plant Journal. 2006. 46, 85–94).
И галоархеи, как выяснилось, тоже используют этот способ. Специалисты (по их словам) давно знают, что Haloferax не любит оставаться гетерозиготным. Можно искусственно сделать микробов, гетерозиготных по какому-нибудь локусу, но вы глазом не успеете моргнуть - т.е. пройдет всего пара-тройка дней, пара десятков поколений - и никаких гетерозигот в культуре не останется. Только гомозиготы те и гомозиготы эти. Можно сохранить гетерозиготность только при помощи сильного "двойного" отбора, поставив микробов в условия, когда выживают только гетерозиготы. И недавно был экспериментально подтвержден факт унификации хромосом у Haloferax путем генной конверсии (Christian Lange, Karolin Zerulla, Sebastian Breuert. Gene conversion results in the equalization of genome copies in the polyploid haloarchaeon Haloferax volcanii // Molecular Microbiology (2011) 80(3), 666–677).
И вот еще важная статья с тем же результатом:
Jorg Soppa. Ploidy and gene conversion in Archaea // Biochemical Society Transactions (2011) Volume 39, part 1
The genome copy numbers of seven crenarchaeal species of four genera have been reported. All of them are monoploid and thus this seems to be a characteristic feature of Crenarchaeota. In stark contrast, none of six species representing six euryarchaeal genera is monoploid. Therefore Euryarchaea are typically oligoploid or polyploidy and their genome copy numbers are tightly regulated in response to growth phase and/or growth rate. A theoretical consideration called ‘Muller’s ratchet’ predicts that asexually reproducing polyploid species should not be able to exist. An escape from Muller’s ratchet would be a mechanism leading to the equalization of genome copies, such as gene conversion. Using two species of methanogenic and halophilic archaea, it was shown that heterozygous cells containing different genomes simultaneously can be selected, exemplifying gene redundancy as one possible evolutionary advantage of polyploidy. In both cases, the genomes were rapidly equalized in the absence of selection, showing that gene conversion operates at least in halophilic and methanogenic Euryarchaea.
Возможно, это действительно эффективный способ избегать вырождения для полиплоидного микроба. Но при этом микроб лишается потенциальных преимуществ гетерозиготности. Теряется генетическое разнообразие.
У диплоидных эукариот в мейозе гомологичная рекомбинация идет в основном "симметрично" (кроссинговер), хотя и генная конверсия тоже имеет место. У Haloferax бывают и кроссоверы (вроде бы примерно в 1/3 случаев конверсия сопровождается кроссовером), но преобладает, похоже, конверсия. Одним словом, у тех и других есть обе формы гомологичной рекомбинации, но у эукариот все-таки преобладают кроссоверы, а у галоархей - конверсия. Надо помоделировать и подумать, почему. И что из этого может следовать (с точки зрения идеи, что галоархеи могут быть "переходной формой" на пути от прокариотического секса к эукариотическому). Какие факторы отбора могли бы способствовать переходу от преимущественно конверсии к преимущественно кроссоверам? Тут, помимо прочего, надо иметь в виду, что кроссинговер кольцевых хромосом затруднен, ибо только при четном числе кроссоверов хромосомы разойдутся, а при нечетном - два кольца сольются в одно большое (или получатся другие т.н. конкатемеры).
5. ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ У HALOFERAX
может выполнять необычные функции. Например, с ее помощью может инициироваться репликация ДНК. Получив письмо от Торстена Аллерса, я с удивлением обнаружил, что некогда написал для "Элементов" новость по его статье:
Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного
Процесс удвоения молекул ДНК (репликация) начинается в особых «точках начала репликации» (ТНР) — участках ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, к которым прикрепляются белки, расплетающие двойную спираль и инициирующие репликацию. В геноме солелюбивой археи Haloferax volcanii найдено четыре ТНР. Удаление любой из них, как и следовало ожидать, ведет к замедлению репликации и размножения микробов. Однако одновременное удаление всех четырех ТНР, как ни странно, ускорило репликацию и позволило археям размножаться быстрее. В отсутствие ТНР репликация инициируется «нетрадиционным» способом в произвольных местах хромосомы с обязательным участием ферментов, осуществляющих обмен участками между молекулами ДНК (гомологичную рекомбинацию). Открытие заставляет задуматься о том, зачем вообще нужны ТНР и как они появились. Возможно, изначально они были «эгоистичными генами», заботившимися лишь о собственном размножении, но потом подверглись «молекулярному одомашниванию» и стали приносить пользу, помогая регулировать и упорядочивать репликацию хромосом.
Источник: Michelle Hawkins, Sunir Malla, Martin J. Blythe, Conrad A. Nieduszynski & Thorsten Allers. Accelerated growth in the absence of DNA replication origins // Nature. Published online 03 November 2013.
Читать полностью
Гомологичная рекомбинация также абсолютно необходима для репарации разрывов ДНК, но тут выясняются странные подробности: Delmas S, Shunburne L, Ngo H-P, Allers T (2009) Mre11-Rad50 Promotes Rapid Repair of DNA Damage in the Polyploid Archaeon Haloferax volcanii by
И в связи с этим возникла переписка со специалистами по галофильным (солелюбивым) археям, или галоархеям. Потрясающие твари, которые, возможно, ближе всех прокариот подошли к чему-то, похожему на эукариотический секс. Поскольку я скоро отправлюсь на Белое море и все забуду, решил сделать тут небольшой обзорчик - для себя, ну и, может быть, кому-то еще интересно. В принципе хочу потом сделать компьютерную модель, очень уж любопытная у этих тварей генетика. Текст не популярный, sorry.
ГАЛОАРХЕИ
вместе с метаногенами и некоторыми другими причудливыми микробами относятся к типу Euryarchaeota. Особенно хорошо изучен Haloferax volcanii, живущий в донных отложениях Мертвого моря. Он легко культивируется в лаборатории. Главное, чтобы у тары, в которой он живет, не было металлических частей, контактирующих с "питательной средой". Разъест.
1. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС.
Причина, по которой Haloferax вообще всплыл в рамках темы о происхождении полового размножения, состоит в том, что у него обнаружен необычный для прокариот половой процесс. Это конъюгация с образованием цитоплазматических мостиков между клетками, причем между двумя клетками может быть сразу несколько мостиков; даже несколько клеток могут объединяться в некую сеть.
Так это выглядит на электронных микрофотографиях из статьи с первоописанием конъюгации Haloferax ( Rosenshine I., Tchelet R., Mevarech M. 1989. The Mechanism of DNA Transfer in the Mating System of an Archaebacterium).
При этом каждая клетка может быть как донором, так и реципиентом генетического материала (у других прокариот передача генов обычно строго однонаправленная). Передаются и плазмиды, и геномная ДНК. Некоторые авторы считают, что в определенных условиях возможно даже слияние клеток (cell fusion), хотя другие оспаривают это.
Схема гипотетического слияния клеток у Haloferax. Из: Ortenberg, R.T., and Mevarech, R.M. (1999). Exchange system of the extremely halophilic archaeon Haloferax volcanii. In Microbiology and Biogeochemistry of Hypersaline Environments, A. Aharon, ed. (CRC press), pp. 331–338.
Недавно были проведены эксперименты по межвидовой гибридизации Haloferax (Adit Naor, Pascal Lapierre, Moshe Mevarech, R. Thane Papke, and Uri Gophna. Low Species Barriers in Halophilic Archaea and the Formation of Recombinant Hybrids // Current Biology. 2012. 22, 1444–1448). Кроме вида volcanii из Мертвого моря есть еще второй вид, Haloferax mediterranei, из соленого озера в Испании. Сходство их геномов - всего лишь 86,6%. При этом в лаборатории они отлично скрещивались и менялись генами. В хромосомах потом обнаруживались "чужие" куски длиной от 310Kb до 530Kb (полный геном - 4000Kb). То есть здоровенные куски. Может быть, они способны во время конъюгации даже целыми кольцевыми хромосомами обмениваться?
Вот резюме этой статьи для полноты картины:
Speciation of sexually reproducing organisms requires reproductive barriers. Prokaryotes reproduce asexually but often exchange DNA by lateral gene transfer mechanisms and recombination [1], yet distinct lineages are still observed. Thus, barriers to gene flow such as geographic isolation, genetic incompatibility or a physiological inability to transfer DNA represent potential underlying mechanisms behind preferred exchange groups observed in prokaryotes [2–6]. In Bacteria, experimental evidence showed that sequence divergence impedes homologous recombination between bacterial species [7–11]. Here we study interspecies gene exchange in halophilic archaea that possess a parasexual mechanism of genetic exchange that is functional between species [12, 13]. In this process, cells fuse forming a diploid state containing the full genetic repertoire of both parental cells, which facilitates genetic exchange and recombination. Later, cells separate, occasionally resulting in hybrids of the parental strains [14]. We show high recombination frequencies between Haloferax volcanii and Haloferax mediterranei, two species that have an average nucleotide sequence identity of 86.6%. Whole genome sequencing of Haloferax interspecies hybrids revealed the exchange of chromosomal fragments ranging from 310Kb to 530Kb. These results show that recombination barriers may be more permissive in halophilic archaea than they are in bacteria.
Галоархеи меняются генами с родней так часто, что локусы у них фактически не сцеплены (Thane Papke, personal communication), отбираются независимо, т.е. горизонтальный перенос генов у них вполне справляется с задачами, которые у эукариот возложены на половое размножение. Вот работа, сделанная на другом представителе галоархей, Halorubrum (живет в бассейнах для выпаривания соли):
R. Thane Papke, Jeremy E. Koenig, Francısco Rodrıguez-Valera, W. Ford Doolittle. Frequent Recombination in a Saltern Population of Halorubrum // Science. 2004. V. 306. P. 1928-1929.
Sex and recombination are driving forces in the evolution of eukaryotes. Homologous recombination is known to be the dominant process in the
divergence of many bacterial species. For Archaea, the only direct evidence bearing on the importance or natural occurrence of homologous recombination is anecdotal reports of mosaicism from comparative genomic studies. Genetic studies, however, reveal that recombination may play a significant role in generating diversity among members of at least one archaeal group, the haloarchaea. We used multi-locus sequence typing to demonstrate that haloarchaea exchange genetic information promiscuously, exhibiting a degree of linkage equilibrium approaching that of a sexual population.
2. ПОЛИПЛОИДНОСТЬ.
В дальнейшем обнаружилось, что Haloferax - сильно полиплоидная тварь. У него примерно 20 копий кольцевой хромосомы в каждой клетке. Более того, все другие виды эвриархей (галоархеи и метаногены), которых проверили на этот счет (таких видов было 6, см. ниже статью Soppa) тоже оказались полиплоидными. А вот представители другого типа архей - кренархеоты - оказались моноплоидными (почему-то прокариот с одной копией хромосомы не рекомендуют называть гаплоидными, нужно говорить "моноплоид").
Зачем галоархеям полиплоидность - не совсем очевидно. Обычно считается, что полиплоидность нужна прокариотам, живущим в сильно мутагенной среде, для репарации разрывов двойной спирали (см.: Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации). Запасные копии хромосом служат матрицами для восстановления (путем гомологичной рекомбинации) поврежденных копий. Однако это объяснение не проходит в случае с Haloferax, потому что этот микроб на самом деле не отличается повышенной устойчивостью к двойным разрывам (например, он не более устойчив к ультрафиолету, чем E.coli; Thorsten Allers, personal communication).
Другие возможные преимущества полиплоидности:
-- "лишняя" ДНК может быть просто запасным полимером: действительно, при голодании галоархеи "съедают" свои избыточные хромосомы (Zerulla et al., 2014);
-- Может быть, имеет значение возможность "тестирования" новых аллелей путем постепенного повышения числа копий;
-- Уменьшает риски при захвате чужой ДНК?
-- Потенциальные преимущества гетерозиготности (но этому мешает генная конверсия, см. ниже).
Так или иначе, галоархеи полиплоидны, и это может быть общим свойством всех Euryarchaeota.
3. "ХРАПОВИК МЁЛЛЕРА"
Полиплоидность у бесполых организмов создает угрозу накопления вредных рецессивных мутаций. Это по идее должно очень быстро привести к вырождению и вымиранию. В разных хромосомах будут свои наборы вредных мутаций, но микроб не умрет, пока у него остается хотя бы несколько исправных копий каждого гена. В итоге скоро неиспорченных хромосом вообще не останется, и при делении всё чаще будут получаться нежизнеспособные потомки. Утверждается даже, что полиплоидный бесполый организм поэтому вообще не может существовать.
Значит, галоархеи должны были научиться как-то нейтрализовать эту опасность. Я вижу три способа это сделать.
Первый - универсальный - почаще меняться генами с родственниками, т.е. не быть бесполым! Галоархеи, как мы знаем, очень стараются именно так и поступать.
Второй - унификация хромосом путем генной конверсии (см. ниже).
Третий - вообще интересный - изобрести митоз! Да, действительно, если при делении в дочерние клетки будут отправляться не абы какие хромосомы, а аккуратненько - по одной реплике каждой из имеющихся у родителя хромосом, то проблема исчезает! Правда, после этого организм из полиплоидного с множеством копий одной и той же хромосомы очень быстро превратится в гаплоидный с множеством разных хромосом, которые только все вместе смогут обеспечивать жизнь организма. Может быть, так оно всё и было при становлении эукариот? Стоит подумать и помоделировать. Меня заинтриговало то обстоятельство, что размышления о происхождении эукариот и полового размножения как-то сами собой, естественным образом подвели к возможному стимулу для появления митоза. А еще надо учесть, что мейоз, как утверждают специалисты по мейозу, мог развиться только у организмов, уже имевших митоз, т.к. мейоз - это очевидная "надстройка" на механизме митоза.
4. УНИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ ПУТЕМ ГЕННОЙ КОНВЕРСИИ.
Бесполый (или редко меняющийся генами) полиплоид может спастись от вырождения, постоянно унифицируя свои хромосомы путем генной конверсии. То есть устраняя всякую гетерозиготность на корню, "переписывая" аллели с одних хромосом на другие (при этом одни аллели затираются, другие распространяются среди многочисленных копий генома внутри одной клетки, вплоть до полной гомозиготности).
Генная конверсия - это асимметричный вариант гомологичной рекомбинации, то есть не обмен участками между двумя молекулами ДНК, а уничтожение информации на одной молекуле и замена ее информацией с другой. В отличие от кроссинговера, который представляет собой симметричный вариант гомологичной рекомбинации, когда аллели не теряются и не уничтожаются, а просто перетасовываются.
При помощи генной конверсии, унифицируя копии генома, борются с накоплением вредных мутаций пластиды растений (они ведь тоже полиплоидные и бесполые) (Olga Khakhlova and Ralph Bock. Elimination of deleterious mutations in plastid genomes by gene conversion. The Plant Journal. 2006. 46, 85–94).
И галоархеи, как выяснилось, тоже используют этот способ. Специалисты (по их словам) давно знают, что Haloferax не любит оставаться гетерозиготным. Можно искусственно сделать микробов, гетерозиготных по какому-нибудь локусу, но вы глазом не успеете моргнуть - т.е. пройдет всего пара-тройка дней, пара десятков поколений - и никаких гетерозигот в культуре не останется. Только гомозиготы те и гомозиготы эти. Можно сохранить гетерозиготность только при помощи сильного "двойного" отбора, поставив микробов в условия, когда выживают только гетерозиготы. И недавно был экспериментально подтвержден факт унификации хромосом у Haloferax путем генной конверсии (Christian Lange, Karolin Zerulla, Sebastian Breuert. Gene conversion results in the equalization of genome copies in the polyploid haloarchaeon Haloferax volcanii // Molecular Microbiology (2011) 80(3), 666–677).
И вот еще важная статья с тем же результатом:
Jorg Soppa. Ploidy and gene conversion in Archaea // Biochemical Society Transactions (2011) Volume 39, part 1
The genome copy numbers of seven crenarchaeal species of four genera have been reported. All of them are monoploid and thus this seems to be a characteristic feature of Crenarchaeota. In stark contrast, none of six species representing six euryarchaeal genera is monoploid. Therefore Euryarchaea are typically oligoploid or polyploidy and their genome copy numbers are tightly regulated in response to growth phase and/or growth rate. A theoretical consideration called ‘Muller’s ratchet’ predicts that asexually reproducing polyploid species should not be able to exist. An escape from Muller’s ratchet would be a mechanism leading to the equalization of genome copies, such as gene conversion. Using two species of methanogenic and halophilic archaea, it was shown that heterozygous cells containing different genomes simultaneously can be selected, exemplifying gene redundancy as one possible evolutionary advantage of polyploidy. In both cases, the genomes were rapidly equalized in the absence of selection, showing that gene conversion operates at least in halophilic and methanogenic Euryarchaea.
Возможно, это действительно эффективный способ избегать вырождения для полиплоидного микроба. Но при этом микроб лишается потенциальных преимуществ гетерозиготности. Теряется генетическое разнообразие.
У диплоидных эукариот в мейозе гомологичная рекомбинация идет в основном "симметрично" (кроссинговер), хотя и генная конверсия тоже имеет место. У Haloferax бывают и кроссоверы (вроде бы примерно в 1/3 случаев конверсия сопровождается кроссовером), но преобладает, похоже, конверсия. Одним словом, у тех и других есть обе формы гомологичной рекомбинации, но у эукариот все-таки преобладают кроссоверы, а у галоархей - конверсия. Надо помоделировать и подумать, почему. И что из этого может следовать (с точки зрения идеи, что галоархеи могут быть "переходной формой" на пути от прокариотического секса к эукариотическому). Какие факторы отбора могли бы способствовать переходу от преимущественно конверсии к преимущественно кроссоверам? Тут, помимо прочего, надо иметь в виду, что кроссинговер кольцевых хромосом затруднен, ибо только при четном числе кроссоверов хромосомы разойдутся, а при нечетном - два кольца сольются в одно большое (или получатся другие т.н. конкатемеры).
5. ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ У HALOFERAX
может выполнять необычные функции. Например, с ее помощью может инициироваться репликация ДНК. Получив письмо от Торстена Аллерса, я с удивлением обнаружил, что некогда написал для "Элементов" новость по его статье:
Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного
Процесс удвоения молекул ДНК (репликация) начинается в особых «точках начала репликации» (ТНР) — участках ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, к которым прикрепляются белки, расплетающие двойную спираль и инициирующие репликацию. В геноме солелюбивой археи Haloferax volcanii найдено четыре ТНР. Удаление любой из них, как и следовало ожидать, ведет к замедлению репликации и размножения микробов. Однако одновременное удаление всех четырех ТНР, как ни странно, ускорило репликацию и позволило археям размножаться быстрее. В отсутствие ТНР репликация инициируется «нетрадиционным» способом в произвольных местах хромосомы с обязательным участием ферментов, осуществляющих обмен участками между молекулами ДНК (гомологичную рекомбинацию). Открытие заставляет задуматься о том, зачем вообще нужны ТНР и как они появились. Возможно, изначально они были «эгоистичными генами», заботившимися лишь о собственном размножении, но потом подверглись «молекулярному одомашниванию» и стали приносить пользу, помогая регулировать и упорядочивать репликацию хромосом.
Источник: Michelle Hawkins, Sunir Malla, Martin J. Blythe, Conrad A. Nieduszynski & Thorsten Allers. Accelerated growth in the absence of DNA replication origins // Nature. Published online 03 November 2013.
Читать полностью
Гомологичная рекомбинация также абсолютно необходима для репарации разрывов ДНК, но тут выясняются странные подробности: Delmas S, Shunburne L, Ngo H-P, Allers T (2009) Mre11-Rad50 Promotes Rapid Repair of DNA Damage in the Polyploid Archaeon Haloferax volcanii by
Restraining Homologous Recombination. PLoS Genet 5(7): e1000552.
Оказывается, существуют специальные белки, которые тормозят гомологичную рекомбинацию и тем самым ускоряют репарацию. Хотя без них репарация тоже идет и даже качественнее (больший процент клеток выживает). Но медленнее.
Может быть, у Haloferax механизм гомологичной рекомбинации какой-то особенный?
Удаление RadA (ключевой белок, необходимый для гомологичной рекомбинации) резко снижает приспособленность и делает архей очень уязвимыми к повреждениям ДНК.
Мы видим, что гомологичная рекомбинация у Haloferax может выполнять как минимум четыре функции: 1) репарация, 2) инициация репликации, 3) конверсия генов с целью спасения от "храповика Мёллера", 4) обмен генами с родней при конъюгации.
Одним словом, было бы интересно замоделировать эволюцию существ с такой замысловатой генетикой!
Оказывается, существуют специальные белки, которые тормозят гомологичную рекомбинацию и тем самым ускоряют репарацию. Хотя без них репарация тоже идет и даже качественнее (больший процент клеток выживает). Но медленнее.
Может быть, у Haloferax механизм гомологичной рекомбинации какой-то особенный?
Удаление RadA (ключевой белок, необходимый для гомологичной рекомбинации) резко снижает приспособленность и делает архей очень уязвимыми к повреждениям ДНК.
Мы видим, что гомологичная рекомбинация у Haloferax может выполнять как минимум четыре функции: 1) репарация, 2) инициация репликации, 3) конверсия генов с целью спасения от "храповика Мёллера", 4) обмен генами с родней при конъюгации.
Одним словом, было бы интересно замоделировать эволюцию существ с такой замысловатой генетикой!
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2014-07-07 06:00 pm (UTC)no subject
Date: 2014-07-07 06:03 pm (UTC)evolbiol.ru
Date: 2014-07-07 10:14 pm (UTC)http://evolbiol.ru/
Выдаёт ужасную надпись, что виртуальный сервер не существует.
no subject
Date: 2014-07-08 10:27 am (UTC)no subject
Date: 2014-07-08 11:29 am (UTC)Ссылки
Date: 2014-07-08 04:05 am (UTC)Ещё ссылки от dok_zlo
Date: 2014-07-08 06:52 am (UTC)No title
Date: 2014-07-08 08:59 am (UTC)post
Date: 2014-07-08 09:49 am (UTC)post
Date: 2014-07-08 09:50 am (UTC)no subject
Date: 2014-07-08 12:20 pm (UTC)Сначала подумал что это о специалистах
no subject
Date: 2014-07-08 06:19 pm (UTC)Галоархеи
Date: 2014-07-08 05:53 pm (UTC)no subject
Date: 2014-07-08 06:37 pm (UTC)Может быть, у Haloferax механизм гомологичной рекомбинации какой-то особенный?"
Насколько я понял, механизм рекомбинации у Haloferax в своей основе такой же, как и у всех.
Только логическая связь обратная: указанные белки ускоряют начальные стадии репарации (это их предназначение) и тем самым повышают вероятность NHEJ вместо HR, что приводит к снижению качества репарации.
Если интересно - могу объяснить подробнее.
post
Date: 2014-07-08 08:19 pm (UTC)post
Date: 2014-07-08 08:20 pm (UTC)Ссылки
Date: 2014-07-08 09:39 pm (UTC)no subject
Date: 2014-07-09 09:22 am (UTC)Действительно, авторы делают другие выводы:
что либо 1) Mre11-Rad50 мешает HR и тем способствует более быстрому (и менее качественному) NHEJ,
либо 2) (менее вероятно) Mre11-Rad50 прямо активизирует NHEJ;
и что это специфично для Haloferax.
Но мне всё-таки моя модель кажется логичнее, и даже лучше согласующейся с их опытами!
Если интересно - распишу подробнее.
no subject
Date: 2014-07-11 11:25 am (UTC)Конечно, интересно, распишите, пожалуйста.
no subject
Date: 2014-07-13 12:53 am (UTC)Существуют два механизма репарации разрывов ДНК: NHEJ и HR.
Если ДНК рвется, начало репарации общее для обоих механизмов: специальные белки обнаруживают свободные концы разрыва и садятся на них, образуя на каждом из них большие комплексы.
Когда два таких комплекса встретятся в ходе броуновского движения, они могут соединиться и сшить нити ДНК. Это механизм NHEJ, простейший из возможных.
Если разрыв в ДНК один, то больше ничего и не нужно: он практически всегда работает верно. А вот если разрывов несколько? Как тогда определить, который конец с которым нужно сшить? Уже при двух разрывах механизм ошибется с вероятностью 2/3. При трех разрывах вероятность ошибки составит 14/15 = 93% и т.д.
Для этой цели изобретен более сложный механизм HR, который в качестве «образца» для правильной «расстановки» фрагментов ДНК использует нити ДНК, гомологичные разорванным. Даже если они тоже порвутся, но в других местах – каждый уцелевший кусок послужит образцом для склейки на «своем участке», и в итоге все нити будут восстановлены.
Таким образом, задача клетки – выбрать из двух механизмов нужный. Причем после сшивки «разобраться и исправить» уже, по-видимому, невозможно - сшитые места ничем не отличаются от обычной цепочки. Поэтому выбрать нужно до завершения сшивки. Но как?
Самый радикальный способ – отказаться от NHEJ вообще. Но это - не лучший путь. Во-первых, NHEJ быстрее HR. Во-вторых, HR требует подходящих условий. Например, у животных (а наверно, и у всех эукариот) HR возможен лишь на определенной стадии митоза или мейоза. Поэтому в неделящихся клетках человека (кроме незрелых ооцитов) HR вообще невозможен.
Впрочем, клеткам, не делящимся вообще (вроде нервных), сшивка ДНК не слишком и нужна – они и с немалым числом разрывов (либо неправильных сшивок) в ДНК могут выполнять свою функцию. А вот клеткам, делящимся редко, накопление разрывов ДНК опасно – если NHEJ их не исправит, их может накопиться столько, что уже и HR не поможет. И тогда они не смогут правильно провести расхождение хромосом при митозе – появятся куски хромосом с двумя центромерами (деление невозможно) или без центромеры (маловероятно правильно поделить их между потомками). Тем более должны быть исправлены все ошибки в половых клетках.
Можно также выбирать механизм на основе «предположений», некой заранее заданной программы. Но очевидно, что точно предсказать заранее число разрывов невозможно, и выбор часто был бы неверным. Опыты с облучением клеток малыми дозами радиации тоже наводят на мысль, что переключение от NHEJ к HR существует и зависит от реально полученной дозы.
Итак, основной вопрос для клетки – знать, сколько разрывов произошло. Как клетка может это узнать?
Доказанного ответа на этот вопрос я не знаю (похоже, и никто не знает). Клетка могла бы их как-то «подсчитывать» - но это сложный и ненадежный путь (2 «висячих конца» и 4 «висячих конца» должны вести к противоположным выводам).
Проще и логичнее, мне кажется, был бы другой механизм. Сшивка двух концов ДНК, согласно наблюдениям, длится долго (более часа). Если за это время сшиваемых двух концов коснется еще третий конец – это означает наличие еще одного разрыва. Это повод остановить сшивку вообще, и отложить ее до HR.
По сути, это вообще не требует никакого отдельного механизма. Концы ДНК (точнее - белковые комплексы, висящие на них) стремятся при встрече соединиться, а затем сшить ДНК. Если же к двум соединившимся концам присоединяется еще и третий – то, предположительно, «групповое спаривание» не получается, и вся группа замирает, пока ее в будущем не «разморозит» запуск HR.
no subject
Date: 2014-07-13 12:53 am (UTC)Во-вторых, если ДНК частично закреплена в клетке, и случится два разрыва в двух удаленных ее местах (настолько удаленных и закрепленных, что друг до друга им не дотянуться) - то их тогда можно независимо и правильно отрепарировать по NHEJ.
В-третьих, если несколько концов соединились и отложили сшивку, а потом долгое время новых присоединений не было – это, видимо, значит, что все концы уже «схвачены». Они могут теперь «окуклиться» (перестать реагировать на попытки присоединения, просто ждать митоза и HR) и тем самым снова включить NHEJ для будущих разрывов. Без этого первая же пара одновременных разрывов выключила бы NHEJ до самого митоза, что для некоторых клеток опасно (см. выше).
no subject
Date: 2014-07-13 01:01 am (UTC)1) Если бы белки Mre11-Rad50, как предполагают авторы, действительно мешали HR – то в случае, когда вся репарация идет через HR, они замедляли бы репарацию. Высокие дозы облучения представляют как раз такой случай – правильная репарация возможна только по HR. Тем не менее, опыты показывают, что и в этом случае эти белки тоже ускоряют репарацию. То есть, предположение авторов не согласуется с их собственными опытами.
Да и зачем вообще могут понадобиться сложные белки, мешающие работе других белков? Не проще ли слегка «испортить» эти другие? Разве что как регулятор («мешать» в нужный момент), но такую роль у них не предполагают – они, похоже, всегда включены.
Зато с точки зрения вышеизложенного «переключения» всё как раз понятно. Эти белки, по утверждению самих авторов, работают на начальных стадиях репарации. А т.к. они ускоряют репарацию – значит, они ускоряют ее начальные стадии.
Но чем быстрее идут эти стадии – тем вероятнее, что «третий конец» (если он существует) не успеет присоединиться до их завершения, и репарация пройдет без него по NHEJ. Быстро, но ненадежно.
2) Мутанты radA очень чувствительны к высоким дозам (т.е. плохо репарируют множественные повреждения, см. Fig.5) и (судя по приведенной ссылке) не способны к рекомбинации. Зато они способны к NHEJ (по утверждению авторов. Точнее - к microhomology-mediated end-joining; но, как я понимаю, это что-то очень близкое к NHEJ). Имхо это означает их неспособность к HR.
И действительно, у них Mre11-Rad50 ускоряет рост (т.е., видимо, репарацию – иначе совсем неясно) и не влияет на качество репарации – как и следует ожидать, если она все равно идет только по NHEJ. В то же время, в статье четкого объяснения не дано.
3) У некоторых других видов удаление аналогов Mre11-Rad50 вызывает ухудшение (а не улучшение) качества репарации. В их числе знаменитый сверхстойкий Deinococcus radiodurans, репарирующий до 1000 одновременных разрывов. Но ведь при таком числе разрывов «третий» находится практически сразу! И небольшое ускорение репарации не влияет на выбор механизма – это все равно HR!
Таким образом, предложенный механизм подходит для клеток всех видов – и Deinococcus radiodurans, и Haloferax volcanii, и даже Homo sapiens. Не нужно предположений об «особом механизме» действия Mre11-Rad50 у Haloferax volcanii – различия между видами тут хоть и существуют, но могут быть чисто количественными.
no subject
Date: 2014-07-13 01:04 am (UTC)no subject
Date: 2014-08-10 03:13 pm (UTC)no subject
Date: 2014-09-04 02:32 pm (UTC)— во-первых, строгое разделение полов лишает половину особей способности непосредственного воспроизводства, вдвое снижая рождаемость по сравнению с бесполым вариантом размножения. При этом уменьшение числа наследников снижает общие потребности популяции в пище, что может значительно повысить выживаемость потомства, как, впрочем, и родителей, особенно в условиях дефицита пищевых ресурсов;
— во-вторых, строгое разделение полов исключает возможность размножения в отсутствие половых партнёров, что, по-видимому, служит некоему контролю среды. Ведь недостаток половых партнёров может означать, что окружающие условия не очень благоприятны для особей данного вида, и с размножением в любом случае стоит повременить, сэкономив тем самым на произведении и прокорме бесперспективного потомства;
— в-третьих, более эффективная отбраковка вредных мутаций, по сути, также может служить экономии. Ведь если потомство отличается повышенной выживаемостью, то не обязательно производить его в огромных количествах, то есть можно сэкономить на размножении.
Таким образом, половое размножение более выгодно в условиях дефицита пищевых ресурсов, а также организмам, чьи жизнедеятельность и воспроизводство более затратны.
no subject
Date: 2014-09-06 10:34 am (UTC)Да и вообще, приспосабливаться к окружающим условиям проще, не находясь на грани истощения.
no subject
Date: 2014-09-06 04:40 pm (UTC)Проблема в том, что если лично я ограничу свою рождаемость в условиях недостатка ресурсов, а мой сосед не ограничит, то в выигрыше (здесь и сейчас) окажется он (т.е. его гены), а я окажусь в дураках. Или, в другой формулировке: цену за свое самоограничение придется платить мне в одиночку, а выигрыш поделится на всех. Это общая проблема адаптаций "для блага группы". Называется "tragedy of the commons" (трагедия общин, или общего пастбища). Поэтому тут мало порассуждать о ситуации с позиций "блага для группы", нужно еще показать, каким образом удалось избежать "трагедии общин".
no subject
Date: 2014-09-06 05:26 pm (UTC)Получается, экономия на размножении может быть выгодна и популяции в целом и составляющим её особям в отдельности.
no subject
Date: 2014-09-09 04:28 pm (UTC)Как вы не раз отмечали, основным препятствием для превращения колонии одноклеточных в полноценный многоклеточный организм является социальный паразитизм. И что, по-видимому, главное средство в борьбе с ним — близкородственные связи членов колонии. То есть наибольшими шансами перевоплотиться в многоклеточный организм обладают колонии одноклеточных, состоящие из клонов одной-единственной материнской клетки.
С другой стороны, основной помехой на пути становления многоклеточности является отсутствие эффективного разделения труда в сообществе одноклеточных. Ведь примкновение к социуму потребует от части особей отказаться от размножения в пользу общественно полезной работы: в частности, производства клейкого вещества, сцепляющего клетки вместе. То есть предполагается, что во имя общего блага одни особи будут заниматься размножением, а другие — производством клея.
Такое разделение обязанностей, на мой взгляд, сродни разделению по половому признаку. То есть колониям одноклеточных для эффективного социального взаимодействия очень не помешала бы раздельнополость.
Вообще, любое разделение труда, сдаётся мне, должно начинаться с распределения половых ролей, без которого рано или поздно каждая особь предпочтёт общественным интересам самоличное воспроизводство.
Так вот, возможно, что горизонтальный перенос генов инициируется одноклеточными особями в целях экономии на самостоятельном произведении потомства. То есть они внедряют собственные гены в тела других особей по той же причине, по которой кукушки подбрасывают свои яйца в гнёзда других птиц.
В сущности, подобная тактика аналогична участию в размножении самцов, которые в большинстве случаев ограничиваются предоставлением порции генетического материала, тратя на произведение потомства гораздо меньше ресурсов, чем самки.
Иными словами, недостатка "самцов" в популяциях одноклеточных не наблюдается — каждый хочет сэкономить. А вот недостаток "самок" налицо, ведь никто не хочет вынашивать чужие гены. По крайней мере, задаром.
no subject
Date: 2014-09-13 01:21 pm (UTC)"Горизонтальный перенос генов – возможный эволюционный предшественник полового размножения" // Палеонтологический журнал, 2014.
https://drive.google.com/file/d/0B89uStA6vrelb3pNMTlNTVJrZ1E/edit?usp=sharing
no subject
Date: 2014-09-14 02:22 pm (UTC)По-видимому, упомянутый вами в статье "суицидальный эффект" генов частично обусловлен гонкой вооружений между "самцами" и "самками", что наверняка требует затраты с обеих сторон дополнительных ресурсов, которые могли бы пойти на приспособление к среде. Иными словами, такая ситуация не слишком выгодна для популяции. И если "самцам" с "самками" удастся договориться, то это пойдёт на пользу всем.
Судя по всему, основой для перехода к товарно-денежным отношениям должен стать какой-либо ресурс, который "самки" будут получать от "самцов" в обмен на секс. Возможно, это будет тот же самый клей или некий ценный пищевой продукт, добыть который не каждому под силу. Вся штука в том, что такое разделение труда может быть выгодно обеим сторонам.
Положим, в роли "самок" будут выступать слабые и менее приспособленные особи, шансы на выживание которых невелики. Если они перестанут "бегать" от "самцов", и, напротив, будут предлагать тем своё тело в аренду за небольшую плату, то жизнеспособность "самок" заметно возрастёт. Таким образом, конечно, в потомстве "самок" будет меньше их собственных генов, однако в противном случае размножиться им, наверное, не удастся вовсе из-за низкой приспособленности к условиям среды.
"Самцы", перейдя к натуральному обмену, в свою очередь сэкономят силы и время на отлове "самок". Более того, "самцам" будет выгоднее вовсе отказаться от самостоятельного воспроизводства и целиком сосредоточиться на добыче ценных ресурсов. Ведь, во-первых, внедрение собственных генов в тело другой особи, по-сути, является актом размножения, притом более экономичным и скорым, нежели традиционный бесполый способ. Во-вторых, специализация на добыче ресурсов обеспечит "самцам" безбедное существование, а также позволит "купить" им больше секса.
Вы высказали предположение, что полиплоидность привела к изобретению митоза. Возможно, одним из назначений полиплоидии является осуществление функций некоего банка спермы.
Вероятно, некоторые "самцы" в стремлении передать "самкам" побольше своих генов, целиком вольются в тела последних, что в ряде случаев может привести к образованию симбиотического организма — о вероятности слияния вы также упоминали.
Впрочем, это, по-видимому, лишь начало пути к многоклеточности. Даже если в колонии одноклеточных половой способ размножения закрепится на генном уровне, впереди её, по-видимому, ждёт ещё ряд переходных стадий.
no subject
Date: 2014-09-14 02:24 pm (UTC)В данной ситуации ценность участия в размножении для каждой особи несколько снизится, ведь если не размножится одна, размножится другая — результат будет практически тем же, гены-то у всех одинаковые. Более того, если зачатие без самцов окажется невозможным, то они станут участвовать в размножении на равных с самками правах.
В общем, самцы вскорости наверняка откажутся платить за секс, что порушит прежние договорённости и поставит колонию на грань распада. Возможно, самкам придётся взять общественно-полезную нагрузку на себя, а самцы, в сущности, перейдут в разряд социальных паразитов. Данную модель взаимоотношений можно охарактеризовать как "прайд".
Такая ситуация, конечно, крайне невыгодна для самок: скоро они откажутся работать задарма и вновь перейдут к бесполому размножению, что приведёт к распаду колонии.
Единственный шанс спасти колонию — найти новый источник рабочей силы. Теперь на общественные работы будут рекрутировать бесплодных особей — лишь у них для этого имеется хоть какой-то стимул, ведь участвовать в размножении напрямую они не могут, зато способны посодействовать распространению собственных, то есть общих, генов, помогая соплеменникам. Возможно, увеличению численности стерильных самок поспособствует изобретение мейоза. Данную социальную модель можно охарактеризовать как "эусоциальность".
Далее, собственно, можно перейти к многоклеточности. Возможно, от самцов придётся и вовсе избавиться, как от балласта — останутся лишь плодовитые самки, занимающиеся самовоспроизводством, и бесплодные самки, выполняющие чёрную работу.
Впрочем, самцов можно и оставить — из них ещё можно будет извлечь выгоду для колонии.
Во-первых, половое размножение может обеспечить более эффективную отбраковку вредных мутаций. Хотя при размножении внутри ограниченного сообщества эффект будет невелик.
Во-вторых, самцы могут способствовать распространении генов колонии на другие сообщества одноклеточных, а также выполнять функции половых клеток в мужском многоклеточном организме, то есть участвовать в размножении на более высоком уровне организации живого.