Pentru a transforma femelele în hermafrodite, sunt suficiente două mutații • Alexander Markov • Știința științifică despre "Elemente" • Genetica, evoluția

Pentru a transforma femelele în hermafrodite, sunt suficiente două mutații.

Sus jos: hermafrodit C. elegans, Femela C. remanei, derivat artificial din "pseudohermafrodit" C. remanei. În roșu alocați dezvoltând embrioni, galben – ovule, cadru roșu zona inconjurata de gonad (glanda reproductiva), in care, impreuna cu ouale, se dezvolta sperma. săgeată marcarea deschiderii sexuale. Fotografii din articolul în discuțieștiință

Majoritatea rotunjimilor sunt buni Caenorhabditis – Aceasta este specia dioică obișnuită, formată din bărbați și femei. Cu toate acestea, la două specii din acest gen (C. elegans și C. briggsaeNu există femele, dar există bărbați și hermafrodiți capabili de auto-fertilizare. Experimente pe viermi dioici C. remanei a arătat că pentru a transforma femelele în hermafrodite complete, este suficient să se reducă activitatea a două gene (2-tra și SWM-1). Aceasta înseamnă că pentru apariția unei noi trăsături – hermafroditism – în evoluția viermilor genului Caenorhabditis Două mutații au fost suficiente.

1. Un bun model pentru studiul neoplasmelor evolutive.

În majoritatea viermilor rotunzi (nematozi), ca și în multe alte animale, sexul este determinat genetic folosind cromozomii de sex. Dacă există două cromozomi X în oul fertilizat, se va dezvolta o femelă din ou, dacă unul este mascul (vezi E.S. Haag, 2005. Evoluția determinării sexului nematod: C. elegans ca punct de referință pentru biologia comparativă).

Cu toate acestea, în cele două specii de nematode cele mai studiate, Caenorhabditis elegans și C. briggsae, persoanele cu două cromozomi X nu sunt femei, ci hermafrodite. Gonadele lor (gonadele) în stadiile larvare târzii produc spermă. Nematodele au pierdut complet în timpul evoluției flagelului, prin urmare, ele au și spermă fără arsuri. Arătau ca amoebii și se mișcă cu pseudopodia. Sperma specimenelor hermaproditice, formate la nivelul larvei, se târăsc în depozite speciale – spermatheși – și așteaptă în aripi. Gonadele de hermafrodite adulte nu produc spermă, ci ouă. Ele pot fi fertilizate atât prin sperma proprie stocată în spermatheca, cât și prin spermatozoizi masculi ca urmare a împerecherii (vezi: Experimentele pe viermi au demonstrat că bărbații sunt un lucru util, Elements, 23 octombrie 2009).

strămoși C. elegans și C. briggsae erau viermi normali dioici. Acest lucru rezultă, în special, din faptul că toate celelalte specii din genul respectiv Caenorhabditis – dioică. Deci, hermafroditismul C. elegans și C. briggsae este o trăsătură evolutivă "tânără", nouă. Deoarece ambele specii se numără printre cele mai bine studiate animale, există toate motivele pentru a speracă în acest caz va fi posibil să se descifreze în detaliu mecanismele moleculare-genetice ale formării acestei noi trăsături în cursul evoluției.

2. Cum se face o hermafrodită de sex feminin

Biologii americani de la Universitatea din Stratford și Universitatea Creighton au făcut un pas important în această direcție, după cum sa raportat în ultimul număr al revistei știință. Ei au arătat experimental că pentru transformarea femelelor cu aspect dioic C. remanei în hermafrodite complet auto-fertilizabile, este suficient să se reducă activitatea numai a două gene.

Sa constatat anterior că în determinarea sexului C. elegans genele joacă un rol important 2-tra. Prezența unuia (și nu a doi) cromozomi X la bărbați servește ca un declanșator, incluzând sinteza proteinei HER-1, care inhibă (inhibă activitatea) proteinei TRA-2 (ca produs proteic al genei 2-tra). Suprimarea activității TRA-2, după câteva etape intermediare, duce la distrugerea proteinei TRA-1, funcția acesteia fiind de a dezactiva un număr de gene-cheie care direcționează dezvoltarea de-a lungul căii "masculine" (inclusiv ceață-3controlul spermatogenezei). Hermafrodit HER-1 nu este format, dar ele produc încă spermă, deoarece activitatea genei 2-tra la stadiul larvelor, este inhibată de proteinele FOG-2 și GLD-1.

Acest lucru a condus autorii la ideea că, dacă femelele arata în mod diocitiv C. remanei suprima activitatea genei 2-tra, femelele se pot transforma în hermafrodiți. Au început prin oprirea completă a genei. 2-tra folosind interferențe ARN. Ca urmare, din ouăle cu două cromozomi X, în loc de femele, bărbații destul de în vârstă au dezvoltat, producând celule normale de spermă, dar fără ouă.

Apoi, autorii au motivat în mod corect că au fost, evident, un pic exagerat. La urma urmei, în activitatea reală a genei hermafrodite 2-tra deși redusă, dar nu la zero. Când această situație a fost capabilă să se reproducă C. remaneiprin reducerea pur și simplu a efectului asupra expresiei 2-tra, a intrat în lumea oamenilor, pe care autorii i-au numit "pseudohermafrodiți". Corpul lor era "feminin", dar în gonade s-au format simultan ouă și celule de spermatozoizi. Adevărat, aceste creaturi s-au dovedit incapabile de auto-fertilizare (de aici prefixul "pseudo"). După trecerea cu un bărbat normal, pretermafroditele au pus ouă fertilizate, dar în număr mai mic decât femelele normale. Aceasta înseamnă că ovulele lor sunt mai mult sau mai puțin normale, iar incapacitatea lor de a se auto-fertiliza este cel mai probabil din cauza defectelor de spermatozoizi.

Pentru a afla care sunt aceste defecte, autorii trebuiau să lucreze foarte mult, verificând unul după altul posibilități ipotetice diferite. Sa dovedit că celulele spermatozoizilor de pseudogerafrodiți sunt normale în toți parametrii, cu excepția unuia: ei sunt inactivi, nu se târăsc nicăieri și, în special, nu se mișcă în spermatheca.

În nematodele normale, celulele spermatice sunt activate (încep să se strecoare) sub influența proteinelor conținute în fluidul seminal. Au celulele spermatice de pseudo-ferrofalită să își păstreze capacitatea de a fi activate de aceste proteine? Pentru a verifica acest lucru, autorii au traversat pseudohermafroditele cu bărbații C. elegans. masculi C. elegans de bună voie cu femeile C. remanei, dar aceste căsătorii sunt fără rezultat (la urma urmei, două specii s-au diferențiat, conform estimărilor disponibile, acum 80 de milioane de ani). Cu toate acestea, după împerechere cu bărbați C. elegans psevdogermafrodity C. remanei ouă fertilizate, unele dintre ele fiind viabile și, de la acestea, femele normale C. remanei. Acest experiment și altele au arătat că lichidul seminal C. elegans poate de fapt să activeze celulele spermatozoizilor de pseudohermafrodiți și, ca rezultat, auto-fertilizarea devine posibilă.

Această descoperire a redus dramatic gama de gene-țintă potențiale care trebuie influențate pentru a transforma pseudohermafroditele în hermafrodiți cu drepturi depline. Gena "potrivită" a fost SWM-1care codifică o proteină care inhibă activitatea altor proteine ​​- proteaze care activează celulele spermei. genă SWM-1 responsabilă de prevenirea activării prematură a spermei la bărbați C. elegans, și, de asemenea, aparent, efectuează o serie de alte funcții. Autorii au redus activitatea acestei gene în pseudohermafrodiți (și cu ajutorul interferenței ARN) – și au dobândit imediat capacitatea de a se auto-fertiliza, de bucuria mare a cercetătorilor.

3. Golul poate fi sărit în două sărituri, dar pentru asta aveți nevoie de un pod

Studiul a arătat că pentru apariția pe parcursul evoluției nematozelor din genul respectiv Caenorhabditis O nouă trăsătură – hermafroditism – a fost suficientă doar pentru a reduce activitatea a două gene în două cascade de reglementare diferite. Acest lucru necesită două mutații. Cu toate acestea, apariția simultană a două mutații, folositoare numai împreună, dar nu separat, este extrem de puțin probabilă. Ar fi putut să apară în mod consecvent sau ar echivala cu depășirea abisului în două sărituri? Autorii au în vedere două scenarii posibile.această transformare evolutivă:

1) În primul rând, a avut loc o mutație care a redus activitatea genei SWM-1 la femele, care vă permite să vă activați propria sperma (dacă există). La început, această mutație a fost neutră, deoarece femelele nu au fost încă capabile să producă spermă. În viitor, a existat o mutație care a redus activitatea -Tra 2. Această mutație sa dovedit imediat utilă (a fost susținută de selecție), deoarece a transformat femelele în hermafrodiți autonome (a se vedea mai jos pentru utilitatea hermafroditismului). Dar prima mutație nu ar putea dăuna dacă genele sunt cunoscute SWM-1cel mai probabil multifuncțional? Și aici cunoașterea genomului viermilor studiați vine la salvare. Se pare că în genomul speciilor dioice există doar o copie a genei. SWM-1, și hermaproditic, există, de asemenea, oa doua copie, ușor diferită. Aparent, dezvoltarea hermafroditismului a fost promovată prin dublarea acestei gene, ceea ce a făcut posibilă eliminarea "conflictului adaptiv". Una dintre copiile modificate pentru a asigura activarea la timp a celulelor spermatice în hermafrodite, iar al doilea a continuat să pună în aplicare alte funcții (vezi: gene multifuncționale – baza inovațiilor evolutive, „elemente“, 30.06.2008.).

2) Al doilea scenariu începe cu o mutație care scade activitatea. -Tra 2. Acest lucru a dus la apariția pseudohermafroditelor. Numai după aceea a apărut o mutație și a fixat, reducând activitatea SWM-1. Cu toate acestea, pseudohermafroditele sunt de fapt doar femele inferioare: ele nu sunt capabile de auto-fertilizare, iar rolul femeilor este copiat mai rău decât femelele reale. Prin urmare, la prima vedere se pare că selecția ar trebui să elimine imediat prima mutație. Dar amintiți-vă că femelele C. remanei atractiv pentru bărbații din alte specii, și împerecherea cu acești bărbați le dă posibilitatea de a se auto-fertiliza. Această caracteristică ar putea deveni o "punte" prin care speciile în evoluție au reușit să depășească etapa intermediară periculoasă și să aștepte apariția celei de-a doua mutații. În unele situații, pseudohermafrodiți capabili de autofertilizare după împerechere cu bărbați din alte specii ar putea avea un avantaj adaptiv (vezi mai jos).

Astfel, "depășirea unui abis cu două hopuri" la examinarea mai detaliată nu este atât de incredibilă. Erau poduri acolo.

4. Modificări ale activității genelor – calea cea mai convenabilă a transformărilor evolutive.

Schimbările în activitatea genei în direcția scăderii sau creșterii pot să apară ca urmare a unei varietăți de mutații. Teoretic, acestea ar putea fi mutații în regiunile de reglementare ale genelor înseși. 2-tra și SWM-1, sau mutații ale genelor de regulator care controlează activitatea lor sau mutații ale autorităților de reglementare ale autorităților de reglementare etc. Este important ca într-o astfel de situație – când se dovedește a fi benefică scăderea sau creșterea expresiei oricărei gene – probabilitatea ca o mutație accidentală care modifică activitatea genei va fi utilă și nu dăunătoare, aproape de 1/2, adică devine extrem de ridicată. În mod accidental, multe transformări evolutive "progresive", așa cum reiese acum, au fost asociate cu modificări ale nivelului activității genelor, mai degrabă decât cu secvențele lor de codificare a proteinelor (vezi: Evoluția umană a fost însoțită de o schimbare în activitatea genelor de regulator, Elementy, 13.03.2006 ).

5. Verificați dacă mufa este conectată.

Mulți sunt deranjați de acest "sfat înțelept", care este invariabil prezent în instrucțiunile de depanare a aparatelor electrice. Cu toate acestea, în spatele ei se află un principiu universal: în multe cazuri, efectul dorit poate fi obținut prin manipularea numai a întrerupătoarelor și fără deșurubarea întregului mecanism.

Mutații specifice responsabile de scăderea activității genei 2-tra și SWM-1 strămoșii C. elegans și C. briggsaepoate fi diferit. În special, se știe că hermafroditul primei specii în suprimarea activității 2-tra gena implicată Ceață 2lipsesc din a doua specie. strămoși C. briggsae pierdut gena Ceață 2, probabil inutile. La această specie, o altă genă joacă un rol-cheie în asigurarea spermatogenezei normale în hermafrodiți. ea-1. Acest exemplu arată că, în cursul evoluției, "comutatoarele" cascadelor genetice de reglementare se pot schimba, iar cascadele înseși – și funcțiile lor – rămân aceleași. Acest lucru se aplică și în cazul mecanismelor de determinare a sexului. Împărțirea la bărbați și femei este în majoritatea animalelor; în consecință, există și programe "genetice" (mari și complexe) de dezvoltare de-a lungul căii de sex masculin și feminin. Cu toate acestea, comutatoarele cheie care direcționează dezvoltarea într-una din cele două moduri se schimbă adesea în cursul evoluției. De exemplu, în aceleași nematode, multe specii au trecut de la determinarea sexului cromozomial la "mediu", adică sexul lor depinde nu de gene, ci de condițiile în care are loc dezvoltarea. Nu este nimic miraculos în acest sens: în același mod, puteți înlocui un întrerupător electric în camera dvs. cu un sistem complex în serie și în paralelconectați întrerupătoarele comutatoare, butonul sau cablul cu o perie, fără a schimba cablajul și candelabru. Poate deveni mai convenabil să controlați iluminarea, dar "fenotipul" nu se va schimba: lumina va fi în continuare pornită sau oprită.

6. Despre beneficiile auto-fertilizării

Cititorii care ne amintesc de nota noastră anterioară despre nematozi (experimentele pe viermi au dovedit că masculii sunt un lucru util, Elements, 10.23.2009), se poate pune problema: de ce a trebuit cineva să meargă la hermafroditism dacă experimentele au arătat avantajul fertilizării încrucișate prin auto-fertilizare? Faptul este că în multe cazuri avantajele hermafroditismului sunt complet evidente – de aceea este necesar să se creeze experimente speciale atunci când vor să se demonstreze că fertilizarea încrucișată este mai bună în alte situații. De exemplu, dacă locurile potrivite pentru viața nematodelor acestei specii sunt foarte rare (se pare că este destul de adevărat pentru membrii genului Caenorhabditis) și probabilitatea ca cel puțin un vierme să lovească zona nouă, nelocuită, este foarte mică, atunci probabilitatea ca doi viermi să ajungă imediat în această zonă – bărbați și femei – va fi cu totul nesemnificativă.Desigur, într-o astfel de situație, avantajul va fi viermii care se pot reproduce fără ajutor prin auto-fertilizare.

Sursa: Chris Baldi, Soochin Cho, Ronald E. Ellis. Mutațiile în două căi independente sunt suficiente pentru a crea nematode hermaphroditice // știință. 2009. 326. P. 1002-1005.

Vezi și:
1) Experimentele pe viermi au dovedit că bărbații sunt un lucru util, "Elements", 10.23.2009.
2) E.S. Haag, 2005. Evoluția determinării sexului nematod: C. elegans ca punct de referință pentru biologia comparativă.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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