Aby przekształcić samice w hermafrodyty, wystarczą dwie mutacje. • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Genetyka, ewolucja

Aby przekształcić samice w hermafrodyty, wystarczą dwie mutacje.

Z góry do dołu: hermafrodyta C. eleganskobieta C. remanei, sztucznie otrzymana "pseudohermafrodyta" C. remanei. Na czerwono przydzielono rozwijające się zarodki, żółty – komórki jajowe, czerwona ramka krąży obszar gonada (gruczołu rozrodczego), w którym wraz z jajkami rozwijają się również plemniki. Strzałka wyraźne otwarcie seksualne. Zdjęcia z artykułu w dyskusjiNauka

Większość robaków obłych jest rodzaju Caenorhabditis – Jest to zwykle dwupienny gatunek, składający się z samców i samic. Jednak u dwóch gatunków tego rodzaju (C. elegans i C. briggsaeNie ma samic, ale są samce i hermafrodyty zdolne do samozapłodnienia. Eksperymenty na dwubarwnych robakach C. remanei pokazał, że aby przekształcić samice w pełnych hermafrodytów, wystarczy zmniejszyć aktywność dwóch genów (tra-2 i swm-1). Oznacza to, że pojawienie się nowej cechy – hermafrodytyzm – w ewolucji robaków rodzaju Caenorhabditis Wystarczały dwie mutacje.

1. Dobry model do badania nowotworów ewolucyjnych.

W większości nicieni (podobnie jak u wielu innych zwierząt) płeć jest określana genetycznie za pomocą chromosomów płciowych. Jeśli w zapłodnionym jaju znajdują się dwa chromosomy X, samica rozwinie się z jaja, jeśli jest to samiec (patrz E. Haag, 2005. Ewolucja determinacji płci nicieni: C. elegans jako punkt odniesienia dla biologii porównawczej).

Jednak w dwóch najbardziej zbadanych gatunkach nicieni Caenorhabditis elegans i C. briggsaeosoby z dwoma chromosomami X nie są kobietami, ale hermafrodytami. Ich gonady (gonady) w stadiach późnej larwy produkują plemniki. Nicienie całkowicie gubiły się podczas ewolucji wici, dlatego też mają plemniki wolne od oparzeń. Wyglądają jak ameby i poruszają się z pseudopodią. Nasienie hermafrodytycznych osobników, uformowanych na etapie larw, wpełza do specjalnych repozytoriów – plemników – i tu czekają na skrzydłach. Goni dorosłych hermafrodytów nie wytwarzają plemników, ale jaja. Mogą być zapładniane zarówno przez ich własną spermę zmagazynowaną w plemniku jak i przez męskie plemniki w wyniku krycia (patrz: Eksperymenty na robakach wykazały, że samce są pożyteczne, Elementy, 23 października 2009).

Przodkowie C. elegans i C. briggsae były normalnymi dwunożnymi robakami. Wynika to w szczególności z faktu, że wszystkie inne gatunki z rodzaju Caenorhabditis – dwupienny. Więc hermafrodytyzm C. elegans i C. briggsae jest ewolucyjną "młodą", nową cechą. Ponieważ oba gatunki należą do najlepiej zbadanych zwierząt, istnieją wszelkie powody do nadzieiże w tym przypadku możliwe będzie szczegółowe odkrycie molekularno-genetycznych mechanizmów powstawania tej nowej cechy w trakcie ewolucji.

2. Jak zrobić kobiecą hermafrodytę

Amerykańscy biolodzy z University of Stratford i Creighton University zrobili ważny krok w tym kierunku, jak donosi najnowszy numer czasopisma Nauka. Eksperymentalnie pokazali to dla transformacji kobiet o dwupiennym wyglądzie C. remanei w całkowicie samozapalnych hermafrodytach wystarczy zmniejszyć aktywność tylko dwóch genów.

Wcześniej stwierdzono, że przy określaniu płci C. elegans gen odgrywa ważną rolę tra-2. Obecność jednego (a nie dwóch) chromosomów X u mężczyzn jest wyzwalaczem, w tym syntezą białka HER-1, które hamuje (hamuje aktywność) białka TRA-2 (jako produkt białkowy genu tra-2). Tłumienie aktywności TRA-2, po kilku pośrednich etapach, prowadzi do zniszczenia białka TRA-1, którego funkcją jest wyłączenie wielu kluczowych genów, które kierują rozwojem wzdłuż "męskiej" ścieżki (w tym mgła-3kontrolowanie spermatogenezy). Białko Hermafrodytu HER-1 nie powstaje, ale nadal produkuje plemniki, ponieważ aktywność genów tra-2 w stadium larwalnym jest hamowany przez białka FOG-2 i GLD-1.

Doprowadziło to autorów do idei, że jeśli samice wyglądają ostrożnie C. remanei tłumić aktywność genów tra-2, kobiety mogą zmienić się w hermafrodytów. Rozpoczęto od całkowitego wyłączenia genu. tra-2 za pomocą interferencji RNA. W rezultacie, z jaj z dwoma chromosomami X, zamiast samic, rozwinęły się całkiem pełnoprawne samce, produkujące normalne plemniki, ale bez jaj.

Następnie autorzy słusznie doszli do wniosku, że byli wyraźnie przesadzeni. Wszakże w prawdziwej hermafrodytowej aktywności genu tra-2 choć zmniejszony, ale nie do zera. Kiedy ta sytuacja mogła się rozmnażać C. remaneipo prostu redukując wpływ na ekspresję tra-2, przyszedł na świat jednostki, które autorzy nazwali "pseudohermaphrodites". Ich ciało było "żeńskie", ale w gonadach równocześnie tworzyły się zarówno jaja, jak i plemniki. To prawda, że ​​istoty te okazały się niezdolne do samozapylenia (stąd przedrostek "pseudo"). Po przekroczeniu normalnego samca, pretermałgory ułożyły zapłodnione jaja, ale w mniejszej liczbie niż normalne samice. Oznacza to, że ich komórki jajowe są mniej więcej normalne, a ich niezdolność do samozapłodnienia jest najprawdopodobniej spowodowana wadami plemników.

Aby dowiedzieć się, jakie są te wady, autorzy musieli dużo pracować, sprawdzając jeden po drugim różne hipotetyczne możliwości. Okazało się, że plemniki pseudogermafrytów są normalne we wszystkich parametrach oprócz jednego: są nieaktywne, nigdzie się nie czołgają, a w szczególności nie przenoszą się do plemników.

W normalnych nicieniach komórki plemników są aktywowane (zaczynają pełzać) pod wpływem białek zawartych w płynie nasiennym. Czy plemniki pseudo-ferrophalitis zachowują zdolność do aktywacji przez te białka? Aby to zweryfikować, autorzy przekroczyli pseudohermafrodyty z samcami C. elegans. Mężczyźni C. elegans chętnie kojarzą się z kobietami C. remanei, ale te małżeństwa są bezowocne (w końcu, dwa gatunki różniły się, według dostępnych szacunków, około 80 milionów lat temu). Jednak po skojarzeniu z samcami C. elegans pseudohermafrodyty C. remanei ułożone jaja zapłodnione, niektóre z nich były żywe, a od nich normalne samice C. remanei. Te i inne eksperymenty wykazały, że płyn nasienny C. elegans może faktycznie aktywować plemniki pseudohermafrodytów, w wyniku czego możliwe staje się samo nawożenie.

To odkrycie radykalnie zawęziło zakres potencjalnych genów docelowych, na które należy wpływać, aby przekształcić pseudohermafrodyty w pełnoprawne hermafrodyty. "Odpowiednim" genem był swm-1które koduje białko, które hamuje aktywność innych białek – proteaz, które aktywują plemniki. Gene swm-1 odpowiedzialne za zapobieganie przedwczesnej aktywacji plemników u mężczyzn C. elegans, a także, najwyraźniej, wykonuje szereg innych funkcji. Autorzy obniżyli aktywność tego genu w pseudohermafrodytach (również za pomocą interferencji RNA) – i natychmiast uzyskali zdolność do samo-nawożenia, ku wielkiej radości badaczy.

3. Szczelinę można przeskoczyć na dwa skoki, ale do tego potrzebny jest most

Badanie wykazało, że do pojawienia się w toku ewolucji nicieni rodzaju Caenorhabditis Nowa cecha – hermafrodytyzm – wystarczył, aby zmniejszyć aktywność dwóch genów w dwóch różnych kaskadach regulacyjnych. To wymaga dwóch mutacji. Jednak jednoczesne wystąpienie dwóch mutacji, użytecznych tylko razem, ale nie oddzielnie, jest niezwykle mało prawdopodobne. Czy mogły pojawiać się konsekwentnie, czy jest to równoznaczne z pokonaniem otchłani w dwóch skokach? Autorzy rozważają dwa możliwe scenariusze.ta ewolucyjna transformacja:

1) Najpierw wystąpiła mutacja, która zmniejszała aktywność genów swm-1 u kobiet, co pozwala aktywować własne plemniki (jeśli są). Początkowo mutacja ta była neutralna, ponieważ samice nie były jeszcze zdolne do produkcji nasienia. W przyszłości istniała mutacja, która obniżała aktywność tra-2. Ta mutacja natychmiast okazała się użyteczna (była wspierana przez selekcje), ponieważ zamieniała samice w hermafrodyty zamknięte (patrz poniżej na przydatność hermafrodytyzmu). Ale czy pierwsza mutacja nie zaszkodzi, jeśli gen jest znany swm-1najprawdopodobniej wielofunkcyjny? I właśnie tutaj na ratunek przychodzi wiedza o genomach badanych robaków. Okazuje się, że w genomach gatunków dwupiennych znajduje się tylko jedna kopia genu. swm-1i hermafrodyta, istnieje również druga, nieco odmienna kopia. Wygląda na to, że rozwój hermafrodytyzmu był promowany przez duplikację tego genu, co umożliwiło usunięcie "konfliktu adaptacyjnego". Jedna z kopii została zmieniona, aby zapewnić terminową aktywację plemników w hermafrodytach, a druga kontynuowała wykonywanie innych funkcji (patrz: Geny wielofunkcyjne – podstawa innowacji ewolucyjnych, "Elementy", 30.06.2008).

2) Drugi scenariusz zaczyna się mutacją, która obniża aktywność. tra-2. Doprowadziło to do pojawienia się pseudohermafrodytów. Dopiero po tym pojawiła się i naprawiła mutacja, zmniejszając aktywność swm-1. Jednak pseudohermafrodyty są w rzeczywistości tylko gorszymi samicami: nie są zdolne do samozapłodnienia, a rola samic jest poradzona gorzej niż prawdziwe samice. Dlatego na pierwszy rzut oka wydaje się, że selekcja powinna natychmiast wyeliminować pierwszą mutację. Ale pamiętaj, że kobiety C. remanei atrakcyjne dla samców innych gatunków, a łączenie się z tymi samcami daje im możliwość samozapylenia. Ta cecha mogłaby stać się "pomostem", przez który ewoluujące gatunki zdołały pokonać niebezpieczny etap pośredni i czekać na wystąpienie drugiej mutacji. W niektórych sytuacjach pseudohermafrodyty zdolne do samozapłodnienia po skojarzeniu z samcami innych gatunków mogą mieć przewagę adaptacyjną (patrz poniżej).

Tak więc, "przezwyciężenie otchłani o dwóch chmielach" po bliższym przyjrzeniu się nie jest tak niewiarygodne. Tam były mosty.

4. Zmiany w aktywności genów – najbardziej "dogodna" droga ewolucyjnych przemian.

Zmiany w aktywności genów w kierunku zmniejszenia lub zwiększenia mogą wystąpić w wyniku różnych mutacji. Teoretycznie mogą to być mutacje w regionach regulatorowych samych genów. tra-2 i SWM-1, lub mutacje genów regulatorowych kontrolujących ich pracę lub mutacje regulatorów regulatorów itp. Ważne jest, aby w takiej sytuacji – gdy okazuje się korzystne zmniejszenie lub zwiększenie ekspresji dowolnego genu – prawdopodobieństwo, że przypadkowa mutacja zmienia aktywność genu będzie użyteczny, a nie szkodliwy, zbliżony do 1/2, czyli stanie się niezwykle wysoki. Nie przypadkowo, wiele "postępowych" transformacji ewolucyjnych, jak się teraz okazuje, było związanych ze zmianami w poziomie aktywności genów, a nie ich sekwencji kodujących białka (patrz: Ewolucji człowieka towarzyszyła zmiana w aktywności genów regulatorowych, Elementy, 13.03.2006 ).

5. Sprawdź, czy wtyczka jest podłączona.

Wielu jest zirytowanych tą "mądrą radą", która jest niezmiennie obecna w instrukcjach rozwiązywania problemów dotyczących urządzeń elektrycznych. Jednak za tym kryje się uniwersalna zasada: w wielu przypadkach pożądany efekt można osiągnąć, manipulując tylko przełącznikami i nie odkręcając całego mechanizmu.

Specyficzne mutacje odpowiedzialne za obniżenie aktywności genów tra-2 i swm-1 przodkowie C. elegans i C. briggsaemogło być inaczej. W szczególności wiadomo, że hermafrodyta pierwszego gatunku w tłumieniu aktywności tra-2 gen zaangażowany fog-2brakuje w drugim gatunku. Przodkowie C. briggsae utracony gen fog-2, prawdopodobnie niepotrzebne. W przypadku tego gatunku inny gen odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu prawidłowej spermatogenezy w hermafrodytach. ona-1. Ten przykład pokazuje, że w trakcie ewolucji "przełączniki" genetycznych kaskad regulacyjnych mogą się zmieniać, a same kaskady – i ich funkcje – pozostają takie same. Dotyczy to również mechanizmów determinujących płeć. Podział na mężczyzn i kobiety występuje u większości zwierząt; odpowiednio, istnieją również "programy" genetyczne (duże i złożone) rozwoju wzdłuż ścieżki męskiej i żeńskiej. Jednak kluczowe przełączniki, które kierują rozwojem na jeden z dwóch sposobów, często zmieniają się w trakcie ewolucji. Na przykład u tych samych nicieni wiele gatunków zmieniło się z chromosomalnego określenia płci na "średni", to znaczy ich płeć nie zależy od genów, ale od warunków, w których następuje rozwój. Nie ma w tym nic cudownego: w ten sam sposób można zastąpić przełącznik elektryczny w pokoju złożonym systemem szeregowo i równoleglepołączone przełączniki, przycisk lub przewód za pomocą szczotki, bez zmiany okablowania i żyrandola. Sterowanie oświetleniem może być wygodniejsze, ale "fenotyp" się nie zmieni: światło będzie nadal włączone lub wyłączone.

6. O zaletach samozapłodnienia

Czytelnicy, którzy pamiętają naszą wcześniejszą notatkę o nicieniach (eksperymenty na robakach udowodniły, że samce są pożyteczną rzeczą, "Elementy", 10.23.2009), może powstać pytanie: dlaczego każdy musiał nawet przejść do hermafrodytyzmu, jeśli eksperymenty wykazały przewagę wzajemnego zapłodnienia nad samozapłodnieniem? Faktem jest, że zalety hermafrodytyzmu w wielu przypadkach są całkowicie oczywiste – dlatego konieczne jest stworzenie specjalnych eksperymentów, kiedy chcą pokazać, że w innych sytuacjach krzyżowanie jest lepsze. Na przykład, jeśli miejsca odpowiednie do życia nicieni tego gatunku są bardzo rzadkie (wydaje się, że jest to całkiem prawdziwe dla członków rodzaju Caenorhabditis) i prawdopodobieństwo, że co najmniej jeden robak trafi na nowy, niezamieszkany obszar, jest bardzo małe, wtedy prawdopodobieństwo, że dwa robaki dotrą do tego obszaru naraz – samiec i samica – będzie zupełnie nieistotne.Naturalnie w takiej sytuacji korzyścią będą robaki, które mogą się rozmnażać bez pomocy przez samozapylenie.

Źródło: Chris Baldi, Soochin Cho, Ronald E. Ellis. Mutacje w dwóch niezależnych szlakach są wystarczające do stworzenia nicieni hermafrodytycznych // Nauka. 2009. V. 326. P. 1002-1005.

Zobacz także:
1) Eksperymenty na robakach udowodniły, że samce są pożyteczne, "Elementy", 10.23.2009.
2) E.S. Haag, 2005. Ewolucja determinacji płci nicieni: C. elegans jako punkt odniesienia dla biologii porównawczej.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: