UMD-ledd studie visar att maskar som befruktar sig själva förlorade en fjärdedel av sitt genom, inklusive gener som gör spermier konkurrenskraftiga.

Reproduktion hos de flesta djurarter kräver avel mellan två individer. Men vissa maskar har utvecklat förmågan att klara sig själv. Hos dessa arter, en enda individ kan avla med sig själv för att få avkomma.

En ny studie ledd av University of Maryland fann att att få denna förmåga, känd som "selfing, "kan ha fått en maskart att förlora en fjärdedel av sitt genom, inklusive gener som ger manliga spermier en konkurrensfördel under parning.

"Våra resultat tyder på att gener som är nödvändiga i tiotals miljoner år plötsligt kan bli värdelösa eller skulder, även, när könssystemet förändras, sa Eric Haag, en professor i biologi vid UMD och ledande utredare av studien, som publicerades i tidskriften Vetenskap den 5 januari, 2018.

För en miljon år sedan, en art av små maskar som kallas Caenorhabditis briggsae utvecklat förmågan att föröka sig via selfing. Som ett resultat, de flesta C. briggsae är hermafroditer med både manliga och kvinnliga könsorgan. Haags grupp, som fokuserar på utvecklingen av sex, har länge studerat C. briggsae på grund av deras ovanliga reproduktiva beteende.

Att studera hur selfing formade utvecklingen av C. briggsae , Erich Schwarz, en biträdande forskningsprofessor i molekylärbiologi och genetik vid Cornell University och motsvarande författare till studien, sekvenserade genomet av Caenorhabditis nigoni, den närmaste släktingen till C. briggsae . C. nigoni alltid föröka sig genom att para sig med andra individer, eller utkryssning. Genom att jämföra genomen för de två arterna, forskarna fann att de självande C. briggsae-maskarna hade 7, 000 färre gener än C. nigoni . Över tid, C. briggsae förlorat ungefär en fjärdedel av sitt genom.

Eftersom de två maskarna främst skiljer sig åt i sin reproduktionsmetod, forskarna antog att övergången från utkorsning till selfing ledde till genförlusten. För att bekräfta detta, de jämförde genaktiviteten hos C. nigoni hanar och honor och fann att nästan tre fjärdedelar av generna som C. briggsae förlorade var mer aktiva i C. nigoni män än kvinnor.

Söker efter möjliga könsrelaterade funktioner för de förlorade generna, forskarna fokuserade på en familj av "manliga utsöndrade korta" (mss) gener som C. nigoni hade men C. briggsae hade inte. Faktiskt, ingen känd själving Caenorhabditis arter har mss-gener. Och mss-gener är bara aktiva i manliga maskar hos utkorsande arter, enligt tidigare forskning utförd av Haag, Schwarz, tidigare UMD doktorand Cristel Thomas (Ph.D. '11, molekylär och cellulär biologi) och tidigare UMD-student Rebecca Felde (B.S. '13, biologi).

Med hjälp av ett genredigeringsverktyg som heter CRISPR, forskarna tog bort fyra mss-gener från en utkorsande art, Caenorhabditis remanei . Som ett resultat, sperma från hane C. remanei maskar som saknar proteinerna som mss-generna kodar för kunde inte konkurrera mot spermier från vildtyp C. remanei män med generna. Omvänt, när forskarna infogade mss-gener i manliga C. briggsae-maskar, deras spermier konkurrerade ut spermier från vildtyp C. briggsae-hanar och från vildtyp C. briggsae hermafroditer.

Forskarna fann också att mss-generna kodar för korta proteiner som täcker spermiecellernas yta. Tagen tillsammans, resultaten tyder på att mss-generna ger spermier från manliga maskar en konkurrensfördel under parning.

"Det faktum att alla jagande arter förlorade mss-generna tyder på att dessa gener, som är mycket användbara för maskar som har manligt-kvinnligt kön, är skadliga för maskar som inte längre har sex med varandra, " Sa Haag. "Vad vi ser är en evolutionär ögonblicksbild av hur en art finjusterar sin reproduktion."

Den självande arten av maskar kan ha förlorat mss-generna eftersom det är skadligt att ha konkurrerande manlig sperma, enligt Haag. Under studien, forskarna upptäckte att ha mer konkurrenskraftiga manliga spermier förändrade artens könsförhållande mot större produktion av hanar. Denna förändring kan sätta maskarnas överlevnad i fara eftersom för många hanar bromsar befolkningstillväxten, och i det vilda måste maskarna fortplanta sig så snabbt som möjligt för att överleva.

Experiment för att bekräfta att konkurrenskraftiga manliga spermier kan skada C. briggsae är på gång, enligt Da Yin, en biovetenskaplig doktorand i Haags grupp och första författare till studien.

"Vi har börjat jämföra tillväxten av C. briggsae-populationer med och utan mss-gener, vilket gör att vi kan testa om mss-gener kan ha drivits ut ur genomet av C. briggsae genom urval, " sa Yin. "Vår hypotes är det C. briggsae populationer med mss-gener kommer att växa långsammare på grund av deras högre antal män."

Går framåt, Haag och hans medarbetare planerar också att undersöka hur mss-gener hjälper spermier att konkurrera. De vill också sålla igenom de återstående 7, 000 förlorade gener att upptäcka deras roller i C. briggsae .

"En mycket liten, men viktigt, antalet gener kan ha mycket långvariga roller i parning mellan man och kvinna – roller som går tillbaka till djurlivets början, 700 miljoner år sedan, " sa Schwarz.

Forskningsdokumentet, "Snabb genomkrympning i en självfertil nematod avslöjar spermiekonkurrensproteiner, "Da Yin, Erich Schwarz, Cristel Thomas, Rebecca Felde, Ian Korf, Asher Cutter, Caitlin Schartner, Edward Ralston, Barbara Meyer och Eric Haag, publicerades i tidskriften Science den 5 januari, 2018.