_ Decodificarea genetică partajată trusă de instrumente pentru determinarea sexului masculin

Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Biologie din Tübingen au deschis un nou drum demonstrând că o genă HMG-box din algele brune este crucială pentru determinarea sexului masculin. Această descoperire ne extinde în mod semnificativ înțelegerea mecanismelor de determinare a sexului în organismele eucariote. Până acum, genele de determinare a sexului au fost identificate doar la un număr selectat de vertebrate și plante.

Publicat în revista Science, acest studiu luminează paralelele evolutive în căile de dezvoltare dintre animale și alge marine, în ciuda lor. milioane de ani de evoluție independentă. Evidențiază utilizarea unui set de instrumente genetice partajate de-a lungul liniilor și explorează convergențele evolutive îndepărtate.

În timp ce majoritatea organismelor cu reproducere sexuală sunt adesea în mod clar masculin sau feminin, determinarea sexuală care stă la baza de reglementare genetică diferă foarte mult în funcție de specie. Această diversitate se extinde la aspectul aparent simplu al algelor brune, care posedă mecanisme interesante de determinare a sexului.

Algele brune sunt eucariote marine, multicelulare, fotosintetice. Aceste organisme au evoluat mai multe trăsături biologice cheie independent de plante și animale, cum ar fi multicelularitatea, ciclurile complexe de viață și cromozomii sexuali. Având în vedere aceste trăsături unice, algele brune servesc ca organisme model excelente pentru studiul aspectelor evolutive ale reproducerii.

Eucariotele cuprind o gamă largă de organisme, de la forme unicelulare la forme multicelulare complexe și prezintă cromozomi sexuali diverși.

Mamiferele au sistemul XX/XY, unde masculii au cromozomii X și Y. În mod similar, în sistemul ZZ/ZW observat la păsări, pești și unele insecte, masculii au de obicei ambii cromozomi ZZ. Sistemele XX/XY și ZZ/ZW apar deoarece animalele adăpostesc două copii ale genomului lor în timpul dezvoltării embrionare, câte o copie de la fiecare părinte.

Aceste sisteme conțin factori specifici care declanșează diferențierea masculină sau feminină, cu sexul maestru cunoscut. -factori de determinare identificaţi pe cromozomii Y, respectiv W. În schimb, sistemul U/V rămâne mai puțin explorat, cu un singur factor care determină sexul identificat în alge, mușchi și licheni. Ciupercile, însă, nu se bazează pe cromozomi sexuali speciali. Ei folosesc gene de tip împerechere pentru a-și determina sexul și cu cine se pot reproduce.

O trăsătură distinctivă a algelor brune este adoptarea lor a sistemului de cromozomi sexuali U/V. Algele brune își determină sexele în stadiul lor haploid (adică cu o singură copie a genomului lor), spre deosebire de animalele diploide care poartă două seturi complete de cromozomi. Algele brune poartă doar cromozomul V masculin sau U feminin, determinându-le sexul.

Cu peste un deceniu în urmă, sub conducerea dr. Susana Coelho, cercetătorii au identificat o regiune specifică sexului în cromozomul V masculin. a algelor brune, care conține o genă care codifică o proteină HMG-box pe care au numit-o mai târziu MIN (pentru Male Inducer).

HMG-box, un domeniu de legare a ADN-ului, este prezentă universal în eucariote. în proteinele asociate cu cromatină și factorii de transcripție, inclusiv în factorul determinant de sex SRY găsit la oameni și factorii de determinare a tipului de împerechere la ciuperci. La acea vreme, instrumentele și metodologiile disponibile nu puteau dovedi dacă MIN declanșează calea de dezvoltare masculină în aceste organisme.

Perspective din manipularea genetică CRISPR/Cas

„În habitatul lor natural, Gameții de alge brune se angajează într-un dans fascinant de împerechere”, explică dr. Rémy Luthringer, expert în cultivarea algelor și șeful unității de cultură de alge de la Institutul Max Planck pentru Biologie Tübingen.

„Gameții feminini se fixează rapid pe substraturi și eliberează un feromon, ca un semnal chimic, în apa de mare pentru a atrage bărbații. Gameții masculini înoată activ folosind doi flageli în cercuri progresiv mai apropiate în jurul femelelor, atrași de „parfumul lor”. .'"

Odată cu apariția tehnologiei CRISPR/Cas, adesea numită „foarfece genetică”, cercetătorii au putut viza și edita cu precizie materialul genetic al acestor alge brune. Ei au folosit acest instrument pentru a testa funcția biologică a MIN prin generarea de mutanți cu o pierdere a funcției. Rezultatul a fost clar: „Dansul complicat de împerechere a gameților masculini a fost absent în liniile mutante CRISPR. Însemnând că, în absența MIN, gameții au devenit complet insensibili la feromonul feminin.”

Dr. Coelho, directorul Departamentului de Dezvoltare și Evoluție al Algelor, notează: „Când am eliminat MIN, gena care determina sexul în algele brune, nu am observat o inversare a sexului. În schimb, masculii au devenit asexuați. Acest lucru se datorează faptului că sunt lipsește cromozomul complementar, cromozomul U feminin. Acest lucru sugerează că un factor inductor feminin pe cromozomul U nu a fost încă descoperit.” Prin aceste experimente genetice, cercetătorii aruncă lumină asupra mecanismelor complexe care guvernează determinarea sexului masculin în algele brune.

Dr. Coelho remarcă: „Identificarea unei gene a domeniului HMG ca factor sexual principal al algelor brune dezvăluie că animalele și algele marine au convergit în mod independent către aceeași soluție pentru determinarea sexului masculin.”

Aprofundând în cronologia evoluției, ultimul strămoșul comun împărtășit între alge și animale era unicelular și nu avea cromozomii sexuali distincti pentru aceste două grupuri de organisme. Dr. Vikram Alva, lider de proiect în Bioinformatica proteinelor, clarifică: „Originea domeniului cutiei HMG poate fi urmărită până la ultimul strămoș comun eucariot, în timp ce MIN a evoluat mai târziu în strămoșul comun al algelor brune.”

Factorii de determinare a sexului din algele brune, ciupercile și mamiferele au un domeniu de cutie HMG omolog, indicând că provin din genetică ancestrală comună. Dr. Alva subliniază: „În timp ce MIN și SRY sunt omoloage, ele nu sunt ortologe; ele au fost derivate înainte ca filiațiile să diverge în diferite organisme. Asemănările lor funcționale sunt un exemplu de evoluție convergentă, prin care domeniul HMG-box a adaptat un rol similar între organisme. în ciuda evoluției lor independente.”

Pur și simplu, este ca și cum cărămizile Lego din aceeași cutie au fost folosite pentru a construi gene diferite. Cărămizile Lego au asemănări funcționale și descendență comună, dar rezultatele diferă. „Și în acest caz, animalele și algele brune au folosit în mod independent blocuri de construcție similare pentru a ajunge la același rezultat, determinarea sexului masculin”, clarifică dr. Josué Barrera-Redondo, cercetător Humboldt în echipa Dr. Coelho.

Eforturile viitoare ale acestor cercetători vor include identificarea genei principale care guvernează determinarea sexului feminin în algele brune și înțelegerea fenotipului lor asexuat atunci când le lipsește cromozomul U.

Localizarea acestei gene esențiale MIN permite cercetătorilor să aprofundeze dinamica evolutivă care modelează mecanismele de determinare a sexului în arborele vieții, trecând dincolo de modelele tradiționale animale și vegetale. Această direcție de cercetare are potențialul de a oferi o imagine mai cuprinzătoare a mecanismelor genetice care stau la baza determinării sexului la algele brune, contribuind la înțelegerea noastră mai largă a biologiei evolutive și a reglementării dezvoltării.

(Fluierul)