macroevolution (macroevolution) wrote,
macroevolution
macroevolution

Галоархеи

У 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.

CellFusion

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!
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 32 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →