Секрет бесплодия гибридов раскрыт

Межвидовые гибриды, как правило, не способны к размножению. Ученые недавно предположили, что причина такой стерильности в несовместимости генов ядерной и митохондриальной ДНК. Но механизма стерильности не знали. Выяснить его на примере дрожжей попытались биологи из Тайваня под руководством Лэу Цзунь-И (Jun-Yi Leu) из Института молекулярной биологии Тайваньской академии наук (Institute of Molecular Biology at Academia Sinica).

Биологи взяли пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae и скрестили их с близкими родственниками -- дрожжами S. paradoxus и S. bayanus (далее эти виды обозначены как Sc, Sp и Sb). В лаборатории скрестить между собой разные виды дрожжей -- не проблема. После слияния клеток образуется зигота, внутри которой созревают споры. Каждая спора развивается в гибридную дрожжевую клетку, которая размножается только бесполым путем.

Гибриды не могут нормально дышать

Ученые установили, что у большей части гибридов возникают проблемы с клеточным дыханием, что говорит о неправильной работе митохондрий. А без них половое размножение невозможно. Митохондрии -- важнейшие клеточные органеллы, энергетические подстанции клетки. В митохондриях есть своя собственная ДНК. При половом размножении -- слиянии сперматозоида и яйцеклетки митохондрии в составе цитоплазмы переходят в зиготу от яйцеклетки. Поэтому митохондриальная ДНК передается по материнской линии.

Внутриклеточный межгеномный конфликт

Но при половом размножении дрожжей обе копулирующие клетки имеют цитоплазму и, соответственно, митохондрии. Чтобы убедиться, что с чем конфликтует, биологи лишили пекарские дрожжи S. cerevisiae митохондрий. Таким образом, зиготы получили митохондрии только от S. paradoxus либо S. bayanus, и в некоторых спорах Sp и Sb митохондриальная ДНК оказалась в сочетании с Sc ядерной ДНК. Именно у них митохондрии не могли нормально работать.

Дело в том, что, несмотря на собственную ДНК, митохондрии не могут обходиться без ядерной ДНК. Им не хватает своих белков. Например, у дрожжей митохондриальные гены кодируют всего лишь восемь белков, в то время как работают в них порядка тысячи.

Ученые нашли, что несколько пар ядерных и митохондриальных генов от разных видов дрожжей проявляют несовместимость. И генетикам удалось описать молекулярный механизм несовместимости для двух пар.

Ненужное должно быть вырезано

Ген MRS1 на 9-й хромосоме ядерной ДНК функционально связан с митохондриальным геном COX1. Сравнение гена COX1 у трех видов дрожжей показало, что Sc-COX1, в отличие от Sp-COX1 и Sb-COX1, не имеет одного интрона. Интрон -- это участок гена, который не содержит информации о строении белка, и после синтеза мРНК на матрице ДНК вырезается из нее -- этот процесс называется сплайсингом.

Ядерный ген MRS1 кодирует белок Mrs1, который как раз и вырезает из митохондриальной мРНК ненужный интрон. Но так как у дрожжей S. cerevisiae интрона и так нет, эта функция не нужна. Она и исчезла за ненадобностью -- ген Sc-MRS1 изменился по сравнению с генами Sp-MRS1 и Sb-MRS1. Но если в гибридной клетке ядерный ген Sc-MRS1 сочетается с митохондриальным Sp-COX1 или Sb-COX1, он не выполняет нужную роль -- не вырезает интрон. В митохондриях все гены на счету -- нарушение строения хотя бы одного оказывается фатальным.

Ученые сравнили строение гена COX1 у разных видов дрожжей, чтобы понять, как он эволюционировал. Выяснилось, что выпадение интрона у S. cerevisiae произошло сравнительно недавно. Вслед за этим событием изменился ген MRS1, и в белке Mrs1 у S. cerevisiae произошло три аминокислотные замены.

Другой пример несовместимости связан с ядерным геном AIM22, который кодирует фермент лигазу, нужную для трансформации белковой молекулы после синтеза. И этот ген у S. bayanus несовместим с митоходриальным геном S. cerevisiae.

Ядро и митохондрии настроены друг на друга

На этих примерах видно, что ядерная и митохондриальная ДНК эволюционируют совместно и скоординировано. Кстати, мутации в митохондриальной ДНК возникают быстрее, чем в ядерной, из-за постоянного воздействия свободных радикалов и более примитивной системы восстановления.

Проследив историю дрожжей, ученые увидели, что внутриклеточный геномный конфликт мог возникать многократно. И полагают, что он действительно служил механизмом репродуктивной изоляции. Он важен на первых этапах видообразования, а в дальнейшем расходящиеся популяции накапливают различия в ДНК.

Очевидно, конфликт генов у гибридов не ограничивается только описанными примерами. Просто пока это все что ученым удалось выяснить. Без сомнения, у более сложных организмов в него вовлечено больше генов.

О механизмах стерильности гибридов ученые написали в открытом журнале PLoS Biology.