UMD-geleide studie vindt dat wormen die zichzelf bevruchten een vierde van hun genoom verloren, inclusief genen die sperma competitief maken.

Voortplanting bij de meeste diersoorten vereist fokken tussen twee individuen. Maar sommige wormen hebben het vermogen ontwikkeld om het alleen te doen. Bij deze soorten is een enkel individu kan met zichzelf fokken om nakomelingen te produceren.

Een nieuwe studie onder leiding van de Universiteit van Maryland wees uit dat het verkrijgen van dit vermogen, bekend als "zelfzuchtig, " kan ertoe hebben geleid dat een wormsoort een kwart van zijn genoom heeft verloren, inclusief genen die mannelijk sperma een concurrentievoordeel geven tijdens het paren.

"Onze resultaten suggereren dat genen die tientallen miljoenen jaren essentieel zijn, plotseling nutteloos of aansprakelijk kunnen worden, ook al, wanneer het sekssysteem verandert, " zei Erik Haag, een professor in de biologie aan de UMD en hoofdonderzoeker van de studie, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschap op 5 januari 2018.

Een miljoen jaar geleden, een soort van kleine wormen genaamd Caenorhabditis briggsae ontwikkelde het vermogen om te fokken via zelfbestuiving. Als resultaat, de meeste C. briggsae zijn hermafrodieten met zowel mannelijke als vrouwelijke geslachtsorganen. Haagse groep, die zich richt op de evolutie van seks, heeft C. briggsae lang bestudeerd vanwege hun ongewone voortplantingsgedrag.

Om te bestuderen hoe zelfzucht de evolutie van C. briggsae , Erich Schwarz, een assistent-onderzoeksprofessor moleculaire biologie en genetica aan de Cornell University en co-corresponderende auteur van de studie, de sequentie van het genoom van Caenorhabditis nigoni, de naaste verwant van C. briggsae . C. nigoni reproduceren altijd door te paren met andere individuen, of uitkruisen. Door de genomen van de twee soorten te vergelijken, de onderzoekers ontdekten dat de zelfbestuivende C. briggsae-wormen 7, 000 minder genen dan C. nigoni . Overuren, C. briggsae ongeveer een kwart van zijn genoom verloren.

Omdat de twee wormen voornamelijk verschillen in hun reproductiemethode, de onderzoekers veronderstelden dat de verschuiving van outcrossing naar selfing leidde tot het verlies van genen. Om dit te bevestigen, ze vergeleken genactiviteit bij C. nigoni-mannetjes en -vrouwen en ontdekten dat bijna driekwart van de genen die C. briggsae verloren waren actiever in C. nigoni mannen dan vrouwen.

Op zoek naar mogelijke geslachtsgerelateerde functies voor de verloren genen, de onderzoekers concentreerden zich op een familie van "mannelijke uitgescheiden korte" (mss) genen die C. nigoni had maar C. briggsae had niet. In feite, geen bekende zelfzucht Caenorhabditis soorten hebben mss-genen. En mss-genen zijn alleen actief in de mannelijke wormen van uitkruisende soorten, volgens eerder onderzoek van Haag, zwart, voormalig UMD-afstudeerstudent Cristel Thomas (Ph.D. '11, moleculaire en celbiologie) en voormalig UMD-student Rebecca Felde (B.S. '13, Biologische Wetenschappen).

Met behulp van een tool voor het bewerken van genen genaamd CRISPR, de onderzoekers verwijderden vier mss-genen van een uitkruisende soort, Caenorhabditis remanei . Als resultaat, sperma van man C. remanei wormen die de eiwitten missen die de mss-genen coderen, konden niet concurreren met sperma van wildtype C. remanei mannen met de genen. Omgekeerd, toen de onderzoekers mss-genen invoegden in mannelijke C. briggsae-wormen, hun sperma versloeg sperma van wildtype C. briggsae-mannetjes en van wildtype C. briggsae hermafrodieten.

De onderzoekers ontdekten ook dat de mss-genen coderen voor korte eiwitten die het oppervlak van zaadcellen bedekken. Bij elkaar genomen, de resultaten suggereren dat de mss-genen het sperma van mannelijke wormen een concurrentievoordeel geven tijdens het paren.

"Het feit dat alle zelfzuchtige soorten de mss-genen verloren, suggereert dat deze genen, die erg handig zijn voor wormen die man-vrouw seks hebben, schadelijk zijn voor wormen die geen seks meer met elkaar hebben, Haag zei. "Wat we zien is een evolutionaire momentopname van hoe een soort zijn voortplanting verfijnt."

De zelfbestuivende wormen hebben mogelijk de mss-genen verloren omdat het hebben van competitief mannelijk sperma schadelijk is, volgens Haag. Tijdens de studie, de onderzoekers ontdekten dat het hebben van meer competitief mannelijk sperma de geslachtsverhouding van de soort veranderde in de richting van een grotere productie van mannen. Deze verschuiving kan het voortbestaan ​​van de wormen in gevaar brengen, omdat te veel mannetjes de populatiegroei vertraagt, en in het wild moeten de wormen zich zo snel mogelijk voortplanten om te overleven.

Experimenten om te bevestigen dat competitief mannelijk sperma schadelijk kan zijn C. briggsae zijn onderweg, volgens Da Yin, een afgestudeerde biologische wetenschappen student in Haag's groep en eerste auteur van de studie.

"We zijn begonnen met het vergelijken van de groei van C. briggsae-populaties met en zonder mss-genen, waarmee we kunnen testen of mss-genen mogelijk uit het genoom van C. briggsae door selectie, " zei Yin. "Onze hypothese is dat... C. briggsae populaties met mss-genen zullen langzamer groeien vanwege hun grotere aantal mannen."

Vooruit gaan, Haag en zijn medewerkers zijn ook van plan te onderzoeken hoe mss-genen sperma helpen concurreren. Ze willen ook de resterende 7 doorzoeken, 000 verloren genen om hun rol in te ontdekken C. briggsae .

"Een heel klein maar belangrijk, aantal genen kan een zeer langdurige rol spelen bij het paren van man en vrouw - rollen die teruggaan tot het begin van het dierenleven, 700 miljoen jaar geleden, ' zei Schwarz.

Het onderzoeksrapport, "Snelle genoomkrimp in een zelfvruchtbare nematode onthult spermaconcurrentie-eiwitten, "Da Yin, Erich Schwarz, Kristel Thomas, Rebecca Felde, Ian Korf, Asscher, Caitlin Schartner, Edward Ralston, Barbara Meyer en Eric Haag, werd op 5 januari gepubliceerd in het tijdschrift Science, 2018.