Badania Paramecium

Paramecium (Orzęski, Protista) jest jednokomórkowym organizmem eukariotycznym charakteryzującym się występowaniem dwóch jąder komórkowych: poliploidalnego makrojądra (odpowiada za funkcje wegetatywne) i diploidalnego mikrojądra będącego jądrem płciowym, odpowiedzialnym za przekazanie informacji genetycznej do kolejnego pokolenia.

Mikrojądro uczestnicząc w mejozie i mitozie, bierze udział w procesach płciowych: autogamii i koniugacji. Proces autogamii jest procesem zachodzącym w pojedynczej komórce pantofelka, w przypadku braku partnera koniugacyjnego. W procesie koniugacji biorą udział dwie komórki o przeciwnych, uzupełniających się typach płciowych będące w odpowiednim wieku klonalnym. Dzięki odkryciu typów płciowych Paramecium zaliczono do grona organizmów modelowych w badaniach genetycznych.

Paramecium, podobnie jak inne przebadane pod tym kątem orzęski (np. Tetrahymena czy Vorticella), ma złożoną strukturę gatunku. Taksonomiczne gatunki są zróżnicowane na gatunki kryptyczne, bliźniacze, których przykładem jest 16 gatunków zespołu P. aurelia. Problemy specjacji badane są przez naszą grupę metodami klasycznymi (krzyżówki genetyczne) i molekularnymi (analiza porównawcza fragmentów genomu). Badania faunistyczne ujawniły szersze zasięgi występowania, niż przyjmowano wcześniej w przypadku szeregu gatunków zespołu P. aurelia.

Dzięki prowadzonym badaniom Paramecium można lepiej zrozumieć mechanizmy ewolucji genomu i nie-Mendlowskiego dziedziczenia opartego na procesach epigenetycznych wpływających na ekspresję genów i fenotyp komórki. Aktualnie, we współpracy międzynarodowej, prowadzone są badania determinacji typów płciowych bliźniaczych gatunków zespołu P. aurelia (Singh i wsp. 2014). Każdy z tych gatunków charakteryzuje się posiadaniem dwóch uzupełniających typów płciowych, niezbędnych do zajścia procesu koniugacji. W zespole gatunków P. aurelia jedynie jeden gatunek cechuje się mendlowskim dziedziczeniem typów płciowych. U pozostałych gatunków są one determinowane cytoplazmatycznie (dziedziczenie matczyne) lub przypadkowo w wyniku procesów epigenetycznych opartych na interferencji RNA. Genotypowo komórki obu typów płciowych są identyczne. Nie mendlowska, matczyna determinacja typów płciowych zachodzi podczas rearanżacji makrojądrowej gdy diploidalny materiał genetyczny linii płciowej podlega poliploidyzacji, a następnie częściowej eliminacji i telomeryzacji. W wyniku tych przemian powstają funkcjonalne geny makrojądrowe decydujące o fenotypie komórki, czyli między innymi o typie płciowym.

Zgromadzona kolekcja żywych szczepów pochodzących z wszystkich kontynentów (z wyjątkiem Antarktydy) reprezentuje poszczególne gatunki zespołu P. aurelia, a także inne gatunki rodzaju Paramecium. Stanowi ona rodzaj banku genowego do wielu badań z zakresu genetyki, systematyki, biologii populacyjnej oraz biogeografii prowadzonych samodzielnie w obrębie ISEZ PAN oraz w ramach programów międzynarodowych.

Realizacja badań w ramach grantów:

Narodowego Centrum Nauki (OPUS) numer 2012/05/B/NZ8/00387 pt. Paramecium jenningsi - struktura gatunku i charakterystyka syngenów w oparciu o krzyżówki genetyczne, badania cytologiczne oraz analizę wybranych fragmentów genomu 2013-2015 kierownik: prof. dr hab. E. Przyboś, wykonawcy z ISEZ PAN: dr S. Tarcz, N. Sawka-Gądek, M. Surmacz.

Narodowego Centrum Nauki (PRELUDIUM) numer 2013/09/N/NZ8/03198 pt. Identyfikacja genów determinujących mendlowskie i epigenetyczne dziedziczenie typów płciowych u wybranych gatunków zespołu Paramecium aurelia 2014-2016- kierownik N. Sawka.-Gądek.

Narodowego Centrum Nauki (OPUS) numer 2014/15/B/NZ8/00258 pt. Biogeografia i mikroewolucja mikroorganizmów eukariotycznych w świetle oceny zmienności genetycznej naturalnych populacji orzęsków należących do zespołu gatunków Paramecium aurelia 2015-2017 kierownik dr hab. S. Tarcz wykonawcy z ISEZ PAN: prof. dr hab. E. Przyboś, dr N. Sawka-Gądek, M. Surmacz.

Realizacja badań w ramach programów międzynarodowych:

Sieć naukowa Europejskiej Grupy Badawczej GDRE (fr. Groupement de Recherches Europeen) "Paramecium Genome Dynamics and Evolution" (kierownik dr L. Sperling, współpracownicy z ISEZ PAN: prof. dr hab. E. Przyboś, dr hab. M. Prajer, dr hab. S. Tarcz, dr N. Sawka-Gądek).

Akcja COST BM1102 “Ciliates as model systems to study genome evolution, mechanisms of non-Mendelian inheritance, and their roles in environmental adaptation 2011-2015” (kierownik prof. C. Miceli, współpracownicy z ISEZ PAN: prof. dr hab. E. Przyboś, dr hab. M. Prajer, dr hab. S. Tarcz, dr N. Sawka-Gądek.

Miceli, współpracownicy z ISEZ PAN: prof. dr hab. E. Przyboś, dr hab. M. Prajer, dr hab. S. Tarcz, dr N. Sawka-Gądek.

Trans-generational epigenetic inheritance, genome defense and mating incompatibility in the Paramecium aurelia complex of 15 sibling species 2013-2018 (kierownik dr S. Duharcourt współpracownicy z ISEZ PAN: prof. dr hab. E. Przyboś, dr hab. M. Prajer, dr hab. S. Tarcz, dr N. Sawka-Gądek).

Wybrane publikacje:

Przyboś E. Tarcz S. 2019. Global molecular variation of Paramecium jenningsi complex (Ciliophora, Protista). A starting point for further, detailed biogeography surveys. Systematics and Biodiversity 17: 527-539.

Przyboś E., Rautian M., Beliavskaya A., Tarcz S. 2019. Evaluation of the molecular variability and characteristics of Paramecium polycaryum and Paramecium nephridiatum, within subgenus Cypriostomum (Ciliophora, Protista). Molecular Phylogenetics and Evolution 132: 296–306.

Przyboś E. Tarcz S. 2018. New Stands of the Paramecium aurelia spp. Complex (Protista, Oligohymenophorea) in Ethiopia, Madagascar, Taiwan, and Romania. Folia Biologica (Kraków) 66: 111-119.

Tarcz S., Sawka-Gądek N., Przyboś E. 2018. Worldwide sampling reveals low genetic variability in populations of the freshwater ciliate Paramecium biaurelia (P. aurelia species complex, Ciliophora, Protozoa). Organisms Diversity & Evolution 18: 39-50.

Przyboś E., Tarcz S. 2016. Paramecium jenningsi complex: existence of three cryptic species confirmed by multi-locus analysis and strain crosses, Systematics and Biodiversity, 14:2, 140-154.

Przyboś E., Tarcz S., Rautian M., Sawka N. 2015. Delimiting Species Boundaries within a Paraphyletic Species Complex: Insights from Morphological, Genetic, and Molecular Data on Paramecium sonneborni (Paramecium aurelia species complex, Ciliophora, Protozoa). Protist, 166(4):438-456

Singh D. P., Saudemont B., Guglielmi G., Arnaiz O., Jean-François Gout J.-F., Prajer M., Potekhin A., Przyboś E., Aubusson-Fleury A., Bhullar S., Bouhouche B., Lhuillier-Akakpo M., Tanty V., Blugeon C., Alberti A., Labadie K., Aury J.-M., Sperling L.., Duharcourt S., Meyer E. 2014. Genome-defence small RNAs exapted for epigenetic mating-type inheritance. Nature 509: 447-452.

Tarcz S., Rautian M., Potkhin A., Sawka N., Beliavaskaya A., Kiselev A., Nekrasova I., Przyboś E. 2014. Paramecium putrinum (Ciliophora, Protozoa): The first insight into the variation of two DNA fragments – Molecular support for the existence of cryptic species. Molecular Phylogenetics and Evolution 73:140-145

Tarcz S., Przyboś E., Surmacz M. 2013. An assessment of haplotype variation in ribosomal and mitochondrial DNA fragments suggests incomplete lineage sorting in some species of the Paramecium aurelia complex (Ciliophora, Protozoa). Molecular Phylogenetics and Evolution 67: 255-265.

Arnaiz O. Mathy N., Baudry C., Malinsky S., Aury J.-M., Denby Wilkes C., Garnier O., Labadie K., Lauderdale B., Le Muël A., Marmignon A., Nowacki M., Poulain J., Prajer M., Wincker P., Meyer E., Duharcourt S., Duret L., Betermier M., Sperling L. 2012. The Paramecium germline genome provides a niche for intragenic parasitic DNA: evolutionary dynamics of internal eliminated sequences. PLoS Genetics 8: e1002984.