Ormearter mistede 7, 000 gener efter at have udviklet sig til at befrugte sig selv

UMD-ledet undersøgelse viser, at orme, der befrugter sig selv, mistede en fjerdedel af deres genom, herunder gener, der gør sæden konkurrencedygtig.

Reproduktion hos de fleste dyrearter kræver avl mellem to individer. Men nogle orme har udviklet evnen til at klare sig alene. Hos disse arter, et enkelt individ kan yngle med sig selv for at få afkom.

En ny University of Maryland-ledet undersøgelse viste, at opnå denne evne, kendt som "selfing, "kan have fået en ormeart til at miste en fjerdedel af sit genom, herunder gener, der giver mandlig sæd en konkurrencefordel under parring.

"Vores resultater tyder på, at gener, der er essentielle i titusinder af år, pludselig kan blive ubrugelige eller forpligtelser, også selvom, når kønssystemet ændrer sig, sagde Eric Haag, professor i biologi ved UMD og ledende efterforsker af undersøgelsen, som blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab den 5. januar, 2018.

For en million år siden, en art af bittesmå orme kaldet Caenorhabditis briggsae udviklet evnen til at avle via selfing. Som resultat, de fleste C. briggsae er hermafroditter med både mandlige og kvindelige kønsorganer. Haags gruppe, som fokuserer på udviklingen af ​​sex, har længe undersøgt C. briggsae på grund af deres usædvanlige reproduktive adfærd.

At studere, hvordan selfing formede udviklingen af C. briggsae , Erich Schwarz, en assisterende forskningsprofessor i molekylærbiologi og genetik ved Cornell University og medtilsvarende forfatter til undersøgelsen, sekventerede genomet af Caenorhabditis nigoni, den nærmeste pårørende til C. briggsae . C. nigoni reproducerer altid ved at parre sig med andre individer, eller udkrydsning. Ved at sammenligne genomerne af de to arter, forskerne fandt ud af, at de selvgående C. briggsae-orme havde 7, 000 færre gener end C. nigoni . Over tid, C. briggsae mistede cirka en fjerdedel af sit genom.

Fordi de to orme primært adskiller sig i deres reproduktionsmetode, forskerne antog, at skiftet fra outcrossing til selfing førte til gentabet. For at bekræfte dette, de sammenlignede genaktivitet i C. nigoni hanner og hunner og fandt ud af, at næsten tre fjerdedele af de gener, der C. briggsae tabte var mere aktive i C. nigoni hanner end hunner.

Søger mulige kønsrelaterede funktioner for de tabte gener, forskerne fokuserede på en familie af "mandlige udskilte korte" (mss) gener, der C. nigoni havde men C. briggsae havde ikke. Faktisk, ingen kendt selfing Caenorhabditis arter har mss-gener. Og mss-gener er kun aktive i mandlige orme fra udkrydsende arter, ifølge tidligere forskning udført af Haag, Schwarz, tidligere UMD-kandidatstuderende Cristel Thomas (Ph.D. '11, molekylær og cellulær biologi) og tidligere UMD bachelorstuderende Rebecca Felde (B.S. '13, biologiske videnskaber).

Ved at bruge et genredigeringsværktøj kaldet CRISPR, forskerne fjernede fire mss-gener fra en udkrydsende art, Caenorhabditis remanei . Som resultat, sæd fra mænd C. remanei orme, der mangler de proteiner, som mss-generne koder for, kunne ikke konkurrere mod sæd fra vildtype C. remanei hanner med generne. Omvendt da forskerne indsatte mss-gener i mandlige C. briggsae-orme, deres sperm udkonkurrerede sperm fra vildtype C. briggsae hanner og fra vildtype C. briggsae hermafroditter.

Forskerne fandt også ud af, at mss-generne koder for korte proteiner, der dækker overfladen af ​​sædceller. Taget sammen, resultaterne tyder på, at mss-generne giver sperm fra hanorme en konkurrencefordel under parring.

"Den kendsgerning, at alle selve-arter mistede mss-generne, tyder på, at disse gener, som er meget nyttige for orme, der har mand-hun-sex, er skadelige for orme, der ikke længere har sex med hinanden, " sagde Haag. "Det, vi ser, er et evolutionært øjebliksbillede af, hvordan en art finjusterer sin reproduktion."

Den selvbekæmpende ormeart kan have mistet mss-generne, fordi det er skadeligt at have konkurrerende mandlig sæd. ifølge Haag. Under studiet, forskerne opdagede, at det at have mere konkurrencedygtig mandlig sæd ændrede artens kønsforhold i retning af større produktion af hanner. Dette skift kan sætte ormenes overlevelse i fare, fordi for mange hanner bremser befolkningstilvæksten, og i naturen skal ormene formere sig så hurtigt som muligt for at overleve.

Eksperimenter for at bekræfte, at konkurrencedygtig mandlig sæd kan skade C. briggsae er i gang, ifølge Da Yin, en biologisk videnskabs kandidatstuderende i Haags gruppe og førsteforfatter til undersøgelsen.

"Vi er begyndt at sammenligne væksten af ​​C. briggsae-populationer med og uden mss-gener, som giver os mulighed for at teste, om mss-gener kan være blevet drevet ud af genomet af C. briggsae ved valg, " sagde Yin. "Vores hypotese er det C. briggsae populationer med mss-gener vil vokse langsommere på grund af deres højere antal hanner."

Fremadrettet, Haag og hans samarbejdspartnere planlægger også at undersøge, hvordan mss-gener hjælper sædceller med at konkurrere. De vil også sile de resterende 7, 000 tabte gener at opdage deres roller i C. briggsae .

"En meget lille, men vigtigt, antallet af gener kan have meget langvarige roller i mand-hun-parring - roller, der går tilbage til begyndelsen af ​​dyrelivet, 700 millioner år siden, " sagde Schwarz.

Forskningspapiret, "Hurtig genomsvind i en selvfertil nematode afslører sædkonkurrenceproteiner, "Da Yin, Erich Schwarz, Cristel Thomas, Rebecca Felde, Ian Korf, Asher Cutter, Caitlin Schartner, Edward Ralston, Barbara Meyer og Eric Haag, blev offentliggjort i tidsskriftet Science den 5. januar, 2018.