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 — (подробнее ) . 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

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: MAT a и MATα. Аллель MAT a 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 MAT a , 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 MAT a -аллелем и одну с MATα-аллелем. Комбинация информации, закодированной аллелем MAT a (ген a1 ) и аллелем MATα (гены α1 и α2), запускает транскрипционную программу, специфичную для диплоидных клеток. Аналогично наличие только одного аллеля MAT — MAT a 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 MAT a . Несмотря на то, что по остальным локусам клетка гаплоидна, она теперь содержит и MATα и MAT a 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 MAT a , то диплоидная по остальным генам клетка будет вести себя как гаплоидная.

Переключение 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.

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 MAT a 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 MAT a 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 MAT a 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 G ₁ -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 MAT a или MATα. Таким образом, молчащие аллели MAT a 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 MAT a 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 MAT a , 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 , 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 .

Примечания

Литература

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