Uno studio condotto dall'UMD ha scoperto che i vermi che si fecondano da soli hanno perso un quarto del loro genoma, compresi i geni che rendono competitivo lo sperma.

La riproduzione nella maggior parte delle specie animali richiede l'allevamento tra due individui. Ma alcuni vermi hanno evoluto la capacità di farcela da soli. In queste specie, un singolo individuo può riprodursi con se stesso per produrre prole.

Un nuovo studio condotto dall'Università del Maryland ha scoperto che l'acquisizione di questa capacità, noto come "selfing, " potrebbe aver causato a una specie di verme la perdita di un quarto del suo genoma, compresi i geni che danno allo sperma maschile un vantaggio competitivo durante l'accoppiamento.

"I nostri risultati suggeriscono che i geni che sono essenziali per decine di milioni di anni possono diventare improvvisamente inutili o passivi, anche, quando il sistema sessuale cambia, "ha detto Eric Haag, un professore di biologia all'UMD e investigatore capo dello studio, che è stato pubblicato sulla rivista Scienza il 5 gennaio, 2018.

Un milione di anni fa, una specie di minuscoli vermi chiamati Caenorhabditis briggsae evoluto la capacità di riprodursi tramite selfing. Di conseguenza, la maggior parte dei C. briggsae sono ermafroditi con organi sessuali sia maschili che femminili. il gruppo di Haag, che si concentra sull'evoluzione del sesso, ha studiato a lungo C. briggsae a causa del loro insolito comportamento riproduttivo.

Per studiare come il selfing ha plasmato l'evoluzione di C. briggsae , Erich Schwarz, un assistente professore di biologia molecolare e genetica presso la Cornell University e co-autore dello studio, sequenziato il genoma di Caenorhabditis nigoni, il parente più prossimo di C. briggsae . C. nigoni si riproducono sempre accoppiandosi con altri individui, o incrocio. Confrontando i genomi delle due specie, i ricercatori hanno scoperto che i vermi selfing C. briggsae avevano 7, 000 geni in meno di C. nigoni . Col tempo, C. briggsae perso circa un quarto del suo genoma.

Poiché i due vermi differiscono principalmente nel loro metodo di riproduzione, i ricercatori hanno ipotizzato che il passaggio dall'outcrossing al selfing abbia portato alla perdita del gene. A conferma di ciò, hanno confrontato l'attività genica in maschi e femmine di C. nigoni e hanno scoperto che quasi tre quarti dei geni che C. briggsae perso erano più attivi in C. nigoni maschi rispetto alle femmine.

Alla ricerca di possibili funzioni legate al sesso per i geni perduti, i ricercatori si sono concentrati su una famiglia di geni "maschili secreti corti" (mss) che C. nigoni aveva ma C. briggsae non aveva. Infatti, nessun selfing conosciuto Caenorhabditis le specie hanno geni mss. E i geni mss sono attivi solo nei vermi maschi di specie incrociate, secondo una precedente ricerca condotta da Haag, Schwarz, ex studente laureato UMD Cristel Thomas (Ph.D. '11, biologia molecolare e cellulare) e l'ex studentessa universitaria UMD Rebecca Felde (BS '13, Scienze biologiche).

Utilizzando uno strumento di modifica genetica chiamato CRISPR, i ricercatori hanno rimosso quattro geni mss da una specie incrociata, Caenorhabditis remanei . Di conseguenza, sperma da maschio C. remanei i vermi privi delle proteine ​​codificate dai geni mss non potevano competere con gli spermatozoi di tipo selvatico C. remanei maschi con i geni. Al contrario, quando i ricercatori hanno inserito i geni mss nei vermi maschi di C. briggsae, il loro sperma ha superato quello dei maschi di C. briggsae wild-type e dei wild-type C. briggsae ermafroditi.

I ricercatori hanno anche scoperto che i geni mss codificano per brevi proteine ​​che rivestono la superficie degli spermatozoi. Presi insieme, i risultati suggeriscono che i geni mss danno allo sperma dei vermi maschi un vantaggio competitivo durante l'accoppiamento.

"Il fatto che tutte le specie selfing abbiano perso i geni mss suggerisce che questi geni, che sono molto utili per i vermi che fanno sesso maschio-femmina, sono dannosi per i vermi che non fanno più sesso tra loro, "Haag ha detto. "Quello che stiamo vedendo è un'istantanea evolutiva di come una specie perfeziona la sua riproduzione".

Le specie di vermi selfing potrebbero aver perso i geni mss perché avere spermatozoi maschili competitivi è dannoso, secondo Haag. Durante lo studio, i ricercatori hanno scoperto che avere spermatozoi maschili più competitivi ha cambiato il rapporto tra i sessi della specie verso una maggiore produzione di maschi. Questo cambiamento potrebbe mettere a rischio la sopravvivenza dei vermi perché avere troppi maschi rallenta la crescita della popolazione, e in natura i vermi devono riprodursi il più velocemente possibile per sopravvivere.

Esperimenti per confermare che lo sperma maschile competitivo potrebbe danneggiare C. briggsae sono in corso, secondo Da Yin, uno studente laureato in scienze biologiche nel gruppo di Haag e primo autore dello studio.

"Abbiamo iniziato a confrontare la crescita delle popolazioni di C. briggsae con e senza geni mss, che ci permette di verificare se i geni mss potrebbero essere stati cacciati dal genoma di C. briggsae per selezione, " disse Yin. "La nostra ipotesi è che C. briggsae le popolazioni con geni mss cresceranno più lentamente a causa del loro maggior numero di maschi".

Andando avanti, Haag e i suoi collaboratori hanno anche in programma di indagare su come i geni mss aiutano lo sperma a competere. Vogliono anche setacciare i restanti 7, 000 geni perduti per scoprire il loro ruolo in C. briggsae .

"Un piccolissimo, ma importante, numero di geni potrebbe avere ruoli di vecchia data nell'accoppiamento maschio-femmina, ruoli che risalgono all'inizio della vita animale, 700 milioni di anni fa, " ha detto Schwarz.

Il documento di ricerca, "Il rapido restringimento del genoma in un nematode autofertile rivela proteine ​​di competizione tra spermatozoi, "Da Yin, Erich Schwarz, Cristel Thomas, Rebecca Felda, Ian Korf, Asher cutter, Caitlin Schartner, Edoardo Ralston, Barbara Meyer ed Eric Haag, è stato pubblicato sulla rivista Science il 5 gennaio, 2018.