دروس من البركة: أدلة من الطحالب الخضراء على أصل الذكور والإناث

15 نيسان 2010

دروس من البركة: أدلة من الطحالب الخضراء على أصل الذكور والإناث

15 نيسان 2010

لا جولا ، كاليفورنيا — طحلب أخضر متعدد الخلايا ، فولفوكس كارتري، قد تكون قد كشفت أخيرًا عن الأسرار الكامنة وراء تطور الأجناس المختلفة. أظهر فريق بقيادة باحثين في معهد سالك للدراسات البيولوجية أن المنطقة الجينية التي تحدد الجنس فيها فولفوكس تغيرت بشكل كبير بالنسبة إلى تلك من الطحالب وحيدة الخلية وثيقة الصلة كلاميدوموناس رينهاردتي.

النتائج التي توصلوا إليها ، والتي سيتم نشرها في عدد 16 أبريل من المجلة علوم، يقدم أول دعم تجريبي لنموذج تطور جنسين مختلفين حيث يؤدي توسع منطقة تحديد الجنس إلى تنوع جيني يتبعه جينات تأخذ وظائف جديدة تتعلق بإنتاج الخلايا التناسلية الذكرية والأنثوية المسماة الأمشاج.

"حتى الآن ، كان يُنظر إلى الكروموسومات المحددة للجنس عمومًا على أنها مناطق تحلل ، تفقد باطراد الجينات التي لا تشارك في التكاثر الجنسي" ، يشرح ذلك جيمس أومين، دكتوراه ، أستاذ مساعد في مختبر البيولوجيا الجزيئية والخلوية النباتية في معهد سالك ، الذي قاد الفريق الذي أجرى الدراسة. "تُظهر دراستنا العكس - أن مثل هذه المناطق يمكن أن تتوسع وتنتج مادة وراثية جديدة بسرعة أكبر بكثير من بقية الجينوم."

معظم الكائنات الحية متعددة الخلايا مثل النباتات والحيوانات لها جنسان مختلفان ، حيث تنتج الإناث بيضًا كبيرًا غير متحرك بينما ينتج الذكور حيوانات منوية صغيرة متحركة. في حين أن الكائنات أحادية الخلية يمكنها أيضًا التكاثر عن طريق الاتصال الجنسي ، لا يمكن تمييز الجنسين من الأنواع أحادية الخلية عادةً عن بعضهما البعض ويُعتقد أنهما يمثلان حالة سلفية أو تطورية مبكرة. ومع ذلك ، فإن المسافات الكبيرة التي تفصل النباتات أو الحيوانات عن أقرب أقربائها وحيدة الخلية حالت دون فهم التحول التطوري إلى مثنوية الشكل بين الذكر والأنثى.

"في الكائنات أحادية الخلية مثل كلاميدوموناس، تبدو الأمشاج متشابهة. في المقابل ، الكائنات متعددة الخلايا ، بما في ذلك فولفوكسوتنتج البويضات والحيوانات المنوية - من الواضح أنها ذكر وأنثى. ومع ذلك ، لا أحد لديه أي فكرة عن كيفية حدوث تطور الذكور والإناث أو ما هي التغييرات الجينية المطلوبة لتحقيق ذلك ، "يشرح أومين.

على الرغم من أن جينومات كلاميدوموناس و فولفوكس متشابهة في معظم النواحي ، هناك استثناء صارخ واحد زود باحثي Salk بمدخل إلى أصل الجنسين من الذكور والإناث - ما يسمى بموضع التزاوج الذي يعمل بنفس الطريقة التي يعمل بها الكروموسومات X و Y البشرية لتحديد الجنس. .

عندما فحص أومين وزملاؤه جينات موضع التزاوج في كلاميدوموناس و فولفوكس وجدوا أنهم يتشاركون في بعض الجينات نفسها ، كما تتوقع من الأنواع وثيقة الصلة. لكن، فولفوكس تمتلك الآن أيضًا مجموعة متنوعة مدهشة من الجينات الجديدة التي تمت إضافتها إلى موقع التزاوج الموسع ، وأصبح التعبير عن العديد من هذه الجينات تحت سيطرة برامج التمايز بين الذكور أو الإناث.

"وجدنا أن فولفوكس موقع التزاوج أكبر بخمس مرات من مكان التزاوج كلاميدوموناس، "يقول الباحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف الأول المشارك باتريك فيريس ، دكتوراه. أردنا أن نفهم الأساس التطوري لهذا. كيف حدث ذلك؟ ومن أين أتت هذه الجينات الجديدة؟ "

لتتبع أصل الجينات المضافة ، بحث الفريق لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم العثور عليها أيضًا كلاميدوموناس. "وجدنا أنه على الرغم من أن بعض جينات مكان التزاوج في فولفوكس جديدة تمامًا ، والعديد منهم لديهم نظراء في كلاميدوموناس التي تقع بالقرب من مكان التزاوج "، كما يشرح المؤلف الأول المشارك برادلي أولسون ، دكتوراه. "لذا فولفوكس أخذ هذه الجينات التي لم يكن لها علاقة بالجنس في البداية ، ودمجها في موضع التزاوج ، وبدأت في استخدام بعضها في الدورة التناسلية الجنسية. "

يدرس الفريق الآن جينات موضع التزاوج الجديدة هذه لفهم أدوارها الفردية في تحديد الجنس والتطور الجنسي.

لقد حددوا بالفعل أ فولفوكس التزاوج مكان الجين المسمى MAT3 التي يبدو أنها طورت دورًا جديدًا في التمايز الجنسي. MAT3 يرتبط بجين بشري يسمى مثبط الورم الأرومي الشبكي الذي يتحكم في انقسام الخلايا وغالبًا ما يتم تحوره في الخلايا السرطانية. في فولفوكس ، MAT3 من المحتمل أن يكون له دور في التحكم في الانقسام الخلوي كما هو الحال في الحيوانات والنباتات ، ولكنه اكتسب أيضًا اختلافات مثيرة للاهتمام خاصة بالجنس في تسلسله ونمط التعبير الذي يرتبط بالاختلافات في التطور التناسلي للذكور / الإناث. يتابع مختبر أومين هذه النتيجة لتحديد الدور المتطور حديثًا لـ MAT3 in فولفوكس مواصفات الجنس.

"هذه الدراسة تظهر ذلك فولفوكس وأقاربه نموذج قوي لدراسة تطور الجنس ، "يقول أومين. "إنه يوفر لنا نظامًا يمكننا من خلاله تتبع التاريخ التطوري لطرح أسئلة حول أصل الجنس والسمات الأخرى التي يصعب التعامل معها في مجموعات مثل النباتات والحيوانات."

يعمل الفريق أيضًا مع متعاونين لفحص موضع التزاوج لمتوسط ​​تطوري بين كلاميدوموناس و فولفوكس تسمى جونيوم، التي تحتوي على ما بين أربعة و 16 خلية. "جونيوم يسمح لنا بإلقاء نظرة على الخطوات التطورية بين كلاميدوموناس و فولفوكس لفهم كيفية حدوث العملية التطورية بشكل أفضل ، "يقول فيريس.

بالإضافة إلى Ferris و Olson و Umen ، فإن المساهمين في هذا العمل هم Peter L. De Hoff ، دكتوراه ، و Sa Geng ، دكتوراه. في معهد سالك. ستيفن دوغلاس وديفيد كاسيرو وماتيو بيليجريني من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ؛ سايمون بروشنيك من معهد الجينوم المشترك (JGI) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، Rhitu Rai في معهد Salk ومعهد البحوث الزراعية الهندي ، نيودلهي ؛ جين غريموود وجيريمي شموتز من معهد هدسون ألفا للتكنولوجيا الحيوية ، ألاباما ؛ إيشيرو نيشي من جامعة نارا النسائية ، نارا ، اليابان ؛ وتاكاشي هاماجي وهيسايوشي نوزاكي في جامعة طوكيو باليابان.

-كلير أتوول

عن معهد سالك للدراسات البيولوجية:
معهد سالك للدراسات البيولوجية هو أحد المؤسسات البحثية الأساسية البارزة في العالم ، حيث يقوم أعضاء هيئة التدريس المشهورون دوليًا بالتحقيق في أسئلة علوم الحياة الأساسية في بيئة فريدة وتعاونية وإبداعية. من خلال التركيز على الاكتشاف وتوجيه الأجيال القادمة من الباحثين ، يقدم علماء Salk مساهمات رائدة لفهمنا للسرطان والشيخوخة والزهايمر والسكري والأمراض المعدية من خلال دراسة علم الأعصاب وعلم الوراثة وبيولوجيا الخلايا والنباتات والتخصصات ذات الصلة.

تم الاعتراف بإنجازات أعضاء هيئة التدريس بالعديد من الأوسمة ، بما في ذلك جوائز نوبل والعضويات في الأكاديمية الوطنية للعلوم. تأسس المعهد في عام 1960 من قبل رائد لقاح شلل الأطفال جوناس سالك ، وهو مؤسسة مستقلة غير ربحية ومعلم معماري.