Детерминация типов спаривания у дрожжей (:ymyjbnugenx mnhkf vhgjnfgunx r ;jk''yw)

Детермина́ция ти́пов спа́ривания у дрожже́й представляет собой генетический механизм, определяющий проявление того или иного типа спаривания у конкретной клетки дрожжей.

Наиболее подробно этот механизм был изучен у пекарских дрожжей — Saccharomyces cerevisiae. У S. cerevisiae в жизненном цикле присутствуют как диплоидная, так и гаплоидная (аскоспора) стадии. Детерминация типов спаривания происходит только у гаплоидных форм. Всего возможны два типа спаривания: a и α. Тип спаривания регулируется единственным локусом — MAT, ответственным за признаки, характерные для каждого полового типа. В ходе каждого клеточного цикла гаплоидная клетка может сменить пол путём особой формы генетической рекомбинации — конверсии генов (подробнее см. ниже). Механизм переключения типов спаривания у S. cerevisiae был предложен в конце 70-х гг. XX в. А. Херсковицем, Дж. Хиксом и Дж. Стразнером.

У другого вида дрожжей — Schiz. pombe — также был обнаружен механизм переключения пола, подобный такому механизму у S. cerevisiae. Похожие механизмы определения пола действуют у некоторых базидиомицетов, однако у них имеется множество аллелей, ответственных за половой тип, а не только два, и число типов спаривания доходит до нескольких тысяч.

Типы спаривания и жизненный цикл S. cerevisiae

Как писалось выше, дрожжи S. cerevisiae могут существовать в гаплоидной и диплоидной стадиях. Обе формы способны размножаться почкованием, которому предшествует митоз, причём дочерняя клетка отпочковывается от материнской. Гаплоидные клетки, кроме того, способны сливаться с другими гаплоидными клетками противоположного типа спаривания (a-клетки с α-клетками, и наоборот), образуя стабильную диплоидную клетку. Диплоидные клетки, как правило, в стрессовых условиях (например, истощение ресурсов питательных веществ) могут подвергаться мейозу, давая начало четырём гаплоидным аскоспорам: двум a-спорам и двум α-спорам.

Различия между a- и α-клетками

Две гаплоидные клетки дрожжей противопоположных типов спаривания выделяют феромоны, подрастают навстречу друг другу и сливаются

a-клетки выделяют a-фактор, феромон, сигнализирующий о присутствии a-клетки соседним α-клеткам. a-клетки, в свою очередь, реагируют на α-фактор, феромон α-клеток, разрастаясь в направлении источника α-фактора. Аналогичным образом ведут себя α-клетки. Это обеспечивает спаривание только гаплоидных клеток разных типов спаривания и делает невозможным спаривание клеток одного полового типа.

Фенотипические различия между a- и α-клетками обусловлены активной транскрипцией и подавлением различных наборов генов. Так, у a-клеток активны гены, ответственные за синтез a-фактора, а также гены, активирующие образование поверхностных клеточных рецепторов (STE2), которые связываются с α-фактором и подают всей клетке сигнал о присутствии α-клеток. a-клетки также подавляют гены, ответственные за фенотипические проявления α-типа. Аналогичным образом поступают α-клетки (их поверхностные клеточные рецепторы обозначаются как STE3).

Подавление экспрессии определённых наборов генов на стадии транскрипции и активация других, характерные для a- и α-клеток, обусловлены наличием одного из двух аллелей локуса MAT: MATa и MATα. Аллель MATa заключает в себе ген a1, который в гаплоидной клетке определяет запуск a-специфичной транскрипционной программы (например, экспрессия STE2 и подавление экспрессии STE3), определяющей фенотип a-клетки. Аллель MATα заключает гены α1 и α2, которые в гаплоидной клетке определяет запуск α-специфичной транскрипционной программы (например, экспрессия STE3 и подавление экспрессии STE2), определяющей фенотип α-клетки.

Различия между гаплоидными и диплоидными клетками

Гаплоидные клетки имеют один из двух половых типов (a или α), реагируют на феромоны клеток противоположного полового типа и могут спариваться с ними. Гаплоидные клетки не могут подвергаться мейозу. Диплоидные клетки не образуют феромонов и не реагируют на них, не спариваются, но могут делиться мейозом с образованием четырёх гаплоидных клеток.

Подобно различиям между гаплоидными a- и α-клетками, за фенотипические различия между гаплоидными и диплоидными клетками также ответственны различные активация и репрессия различных наборов генов. Вдобавок к a- и α-специфичным транскрипционным программам, у гаплоидных клеток обоих типов работает специфичная транскрипционная программа, активирующая экспрессию специфичных для гаплоидов генов (например, HO) и подавляющая экспрессию генов, специфичных для диплоидных клеток (например, IME1). Аналогично диплоидные клетки активируют диплоидоспецифичные гены и подавляют гаплоидоспецифичные.

Экспрессия различных генов у гаплоидов и диплоидов опять-таки обусловлена локусом MAT. Гаплоидные клетки содержат лишь один набор из 16 хромосом и потому могут иметь лишь один аллель локуса MAT (или MATa, или MATα), определяющий их половой тип. Диплоидная клетка образуется в результате спаривания a- и α-клеток, а потому содержит 32 хромосомы в 16 парах, в том числе одну хромосомы с MATa-аллелем и одну с MATα-аллелем. Комбинация информации, закодированной аллелем MATa (ген a1) и аллелем MATα (гены α1 и α2), запускает транскрипционную программу, специфичную для диплоидных клеток. Аналогично наличие только одного аллеля MAT — MATa или MATα — запускает гаплоидоспецифичную транскрипционную программу.

Аллель локуса MAT содержит достаточно информации для полового поведения клеток. Например, с помощью генетических манипуляций в гаплоидную α-клетку с аллелем MATα можно добавить аллель MATa. Несмотря на то, что по остальным локусам клетка гаплоидна, она теперь содержит и MATα и MATa и диплоидна по локусу MAT, а потому будет вести себя как диплоидная клетка: не будет производить феромоны и реагировать на них, а при голодании попытается поделиться мейозом, что приведёт к фатальному результату из-за гаплоидности по остальным генам. Аналогично, если убрать у диплоидной клетки один аллель MAT, оставив или аллель MATα, или MATa, то диплоидная по остальным генам клетка будет вести себя как гаплоидная.

Переключение типа спаривания

Гаплоидная клетка дрожжей делится, подвергается переключению пола, что даёт возможность ей сливаться с образованием диплоидной клетки с другими клетками, образовавшимися из одной с ними исходной клетки и не подвергшимися смене типа спаривания

Способные к спариванию дрожжи дикого типа способны к переключению типа спаривания между a и α. Поэтому, даже если в колонии дрожжей имеется всего одна гаплоидная клетка определённого типа спаривания, то переключение пола приведёт к тому, что в популяции будут наличествовать клетки как a-, так и α-типа. Благодаря стойкому стимулу гаплоидных клеток к спариванию с гаплоидными клетками противоположного полового типа, переключение пола и последующее спаривание приведёт к тому, что большинство клеток в колонии будут диплоидными, независимо от того, какие — диплоидные или гаплоидные — клетки были в ней сначала. Подавляющее большинство штаммов дрожжей, исследуемых в лабораториях, были изменены настолько, что утратили способность к переключению пола (из-за делеции гена HO; см. ниже). Это обеспечивает стабильное размножение гаплоидных клеток, так как гаплоидные клетки a-типа будут оставаться a-клетками (а клетки α-типа — α-клетками) и не будут давать диплоидов между собой.

Расположение неактивных локусов HML и HMR и активного MAT на хромосоме III

HMR и HML: молчащие кассеты

Гаплоидные дрожжи переключают пол, заменяя информацию, содержащуюся в MAT-локусе. Например, a-клетки могут превращаться в α-клетки, заменяя аллель MATa на MATα. Такая замена одного аллеля MAT на другой возможна благодаря тому, что клетки дрожжей содержат дополнительную молчащую копию обоих аллелей: локус HML (от англ. Hidden MAT Left) обычно несёт молчащую копию аллеля MATα и располагается слева от локуса MAT, а HMR обычно (от англ. Hidden MAT Right) содержит молчащую копию MATa и находится справа от MAT. Молчащие локусы HMR и HML часто называются молчащими кассетами, поскольку их информация передаётся в активный локус MAT (поэтому сам механизм переключения пола у дрожжей называют кассетным).

Дополнительные копии аллелей, ответственных за типы спаривания, не мешают функционированию локуса MAT, какой бы он аллель ни содержал, потому что они не экспрессируются, и гаплоидная клетка с аллелем MATa в локусе MAT остаётся a-клеткой, несмотря на наличие молчащего аллеля MATα в локусе HML. Транскрибируется только аллель, заключённый в локусе MAT, и только он влияет на поведение клетки.

Механизм переключения типа спаривания

Процесс переключения типа спаривания в сущности представляет собой конверсию генов, инициируемую геном НО. Ген НО строго регулируется гаплоидоспецифичным геном, активируемым только в гаплоидных клетках в G₁-фазе клеточного цикла. Ген НО кодирует фермент ДНК-эндонуклеазу, который разрезает ДНК исключительно в районе локуса МАТ (поскольку НО-эндонуклеаза специфична к последовательности ДНК этого участка).

Как только НО-эндонуклеаза разрезает ДНК в локусе МАТ, к концам разрезаемой ДНК привлекаются экзонуклеазы и начинают разрушать ДНК по обе стороны от сайта разрезания. Эта деградация ДНК, осуществляемая экзонуклеазами, убирает ДНК, содержащуюся в аллеле МАТ. Однако этот разрыв репарируется при помощи ДНК, скопированной с HML или HMR, в результате вставляется аллель MATa или MATα. Таким образом, молчащие аллели MATa и MATα, имеющиеся в локусах HML и HMR, служат источником генетической информации для репарации НО-индуцированного повреждения ДНК в активном локусе МАТ. Клетки предпочитают сменить тип спаривания, то есть a-клетка с большей вероятностью вставит в место разрыва аллель MATα и станет α-клеткой, и наоборот. Механизм этой специфичности неизвестен.

Направленность переключения типа спаривания

Репарация МАТ-локуса после разрезания НО-эндонуклеазой практически всегда приводит к смене типа спаривания. Когда a-клетка разрезает аллель MATa в MAT-локусе, MAT практически всегда репарируется информацией с HML. Таким образом, MAT будет репарирован аллелью MATα, а тип спаривания сменится с a на α. Аналогично в α-клетке репарация почти всегда осуществляется с локуса HMR, из-за чего в MAT оказывается MATa, а тип спаривания переключается с α на a.

Причина подобной ошибки кроется в рекомбинационном энхансере (англ. recombination enhancer (RE)), находящемся на левом плече хромосомы III. Делеция этого региона вызывает некорректную репарацию в a-клетках, при которой в место разрыва вставляется копия HMR. В норме же у a-клеток с RE связывается транскрипционный фактор Mcm1, тем самым запуская конверсию с копированием и вставкой копии HML. У α-клеток фактор α2 связывается с RE и перекрывает его одним своим доменом, репрессируя его и тем самым подавляя конверсию. В действительности показано, что наиболее проблематичной является репарация с HMR. Конкретные механизмы описанных процессов ещё устанавливаются.

Регуляция

Информация, заключённая в кассетах (то есть генах HMRа и HMLα), не экспрессируется в гаплоидных клетках из-за наличия специальных последовательностей — глушителей (сайленсеров), влияющих на характер компактизации хроматина в кассетах. Глушители контролируются специальными генами SIR, локализованными в других хромосомах. Возле локуса MAT глушителей нет.

Литература

• Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. — СПб.: Издательство Н-Л, 2010. — 718 с. — ISBN 987-5-94869-105-3.