Dlaczego to takie ważne, że naukowcy zmodyfikowali „płciową” muszkę owocową tak, aby była bezpłciowa?
11 marca 2024 15:30 | Zaktualizowano o 15:30 czasu wschodniego
Nowe badanie pokazuje głębokie biologiczne konsekwencje stosunkowo niewielkich manipulacji genetycznych
Muszka owocowa od ponad stu lat należy do ulubionych organizmów badaczy genetyki. | Źródło zdjęcia: Macrogiants (CC BY-SA 4.0)
Muszka owocowa (muszka owocowa) od ponad stu lat należy do ulubionych organizmów badaczy genetyki. Wiele lat intensywnych badań nad tymi drobnymi stworzeniami doprowadziło do wielu przełomów w naszym rozumieniu biologii i ewolucji.
Niedawno naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge i Kalifornijskiego Instytutu Technologii ogłosili kolejny taki przełom. Udało im się „zaprojektować” gatunek muszki owocowej rozmnażający się płciowo tak, aby rozmnażał się bezpłciowo, wykazując głębokie biologiczne konsekwencje stosunkowo niewielkich manipulacji genetycznych.
Pierwsze badanie, w którym odnotowano ten znaczący wyczyn, opublikowano w lipcu 2023 r.; badanie uzupełniające opublikowano w numerze magazynu z lutego 2024 r Dziedziczność.
Rodzina Drosophila
W jaki sposób organizm, który zwykle rozmnaża się płciowo, został przekształcony w taki, który może rozmnażać się bezpłciowo?
Rozmnażanie bez ojca znane jest jako partenogeneza.
Wcześniej inni badacze zbierali okazy muszek owocowych z różnych miejsc geograficznych i porównywali je na różne sposoby z okazem kanonicznym oraz między sobą, aby ocenić stopień ich naturalnej różnorodności. Zbiór liczył ponad 1600 egzemplarzy Drosophila gatunek.
Spośród nich jeden gatunek, Drosophila mangebeiraistwierdzono, że składa się wyłącznie z kobiet. Jaja wyprodukowane przez izolowane samice rozwinęły się bezpośrednio w potomstwo żeńskie, bez konieczności zapłodnienia plemnikiem samca.
Stwierdzono, że wiele gatunków (około 76%), które zwykle rozmnażają się płciowo, wylęga się również z niewielkiej części jaj złożonych przez izolowane dziewicze samice w larwy, z których mniejsza część rozwija się w postacie dorosłe. Nazwa takich gatunków – tj. arbitralnie partenogenetycznych w niewielkim ułamku czasu – jest fakultatywnie partenogenetyczna. Jednym z nich był Drosophila mercatorum.
Gatunki kanoniczne wykorzystywane w badaniach, muszka owocowama jednak charakter ściśle seksualny.
Geny partenogenezy
Badacze postawili sobie dwa cele. Po pierwsze, należy zidentyfikować geny umożliwiające zapłodnienie Drosophila mercatorum jajkado zakończenia rozwoju partenogenetycznego. Po drugie, aby zmodyfikować muszka owocowa genomu w celu ekspresji odpowiednich genów w sposób wywołujący partenogenezę.
Sekwencjonowanie RNA to technika, która pozwala ilościowo oszacować poziom ekspresji genu. Korzystając z tej techniki, naukowcy zidentyfikowali 44 geny w D. mercatorum jaja, które ulegały odmiennej ekspresji, gdy były partenogenetyczne, i gdy nie były.
DNA jest cząsteczką przypominającą drabinę. Jego dwie szyny, czyli nici, składają się z długiego szeregu naprzemiennych jednostek cząsteczek fosforanu i cząsteczek cukru dezoksyrybozy. Każda jednostka cukru jest przyłączona do jednej z czterech zasad chemicznych: adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) i tyminy (T). As i C na jednej nici łączą się z T i G na drugiej, tworząc szczeble lub pary zasad, które utrzymują razem nici.
The muszka owocowa genom ma 200 000 000 par zasad rozmieszczonych w czterech cząsteczkach DNA. Każda cząsteczka jest rdzeniem chromosomu. Cztery chromosomy razem tworzą genom. W sumie genom ten koduje około 13 600 genów.
Z drugiej strony cząsteczka RNA ma kształt grzebienia. Jego kręgosłup (nić) zbudowany jest z naprzemiennych jednostek cząsteczek fosforanu i cukrowej rybozy. Każda jednostka cukru jest przyłączona do jednej z czterech zasad: A, C, G i urydyny (U), które tworzą zęby grzebienia.
Gen to odcinek cząsteczki DNA składający się z kilku tysięcy par zasad. Sekwencja zasad na jednej z jej nici informuje każdą komórkę o sekwencji aminokwasów, które musi połączyć, aby wytworzyć białko. Aby to zrobić, komórka kopiuje sekwencje As, Ts, Cs i Gs w nici kodującej białko DNA do sekwencji odpowiednio Us, As, Gs i Cs, tworząc RNA. RNA jest następnie wysyłane do struktur zwanych rybosomami, które składają zakodowane białko.
Inżynieria rozmnażania bezpłciowego
44 geny, których ekspresja różniła się w jajach partenogenetycznych i rozmnażających się płciowo D. mercatorum szczepy miały swoje odpowiedniki w D. melanogaster genom. Badacze nadekspresjonowali lub niedostatecznie wyrażali odpowiedniki poziomów w D. mercatorum jaja partenogenetyczne.
W szczególności odkryli, że jeśli genom a D. melanogaster okaz został zmodyfikowany tak, aby zawierał dwie dodatkowe kopie gra polo gen, dodatkowa kopia genu Moja c genu i niższą ekspresję genu Desat2 genu, 1,4% jaj osobnika było partenogenetycznych i których potomstwo dożyło dorosłości.
Naukowcy odkryli również, że te dorosłe muchy powstałe partenogenetycznie mogą również kojarzyć się z samcami i produkować potomstwo. Zatem mucha rozmnażająca się wyłącznie płciowo została fakultatywnie partenogenetyczna.
Mucha otrzymuje dwa zestawy chromosomów, po jednym od każdego z rodziców. Przekazuje tylko jeden chromosom z każdej pary do swojej komórki jajowej lub plemnika. Załóżmy, że plemnik zapłodnił komórkę jajową. To jajo będzie teraz miało pięć zestawów genomu: jeden w jądrze komórki jajowej (przedjądrze matki), drugi w jądrze plemnika (przedjądrze ojcowskim) i trzy kolejne jądra zwane ciałami polarnymi, które są zamaskowane na obrzeżach komórki jajowej.
Ciała polarne są produktem ubocznym mechanizmu, dzięki któremu mucha przekazuje tylko jeden chromosom z każdej pary do jądra jaja. Zwykle przedjądrza męskie i żeńskie łączą się, tworząc jądro potomne, a ciała polarne giną. Jeśli jednak jajo nie zostanie zapłodnione, brakuje mu przedjądrza męskiego, a przedjądro żeńskie nie jest w stanie samodzielnie zainicjować rozwoju embrionalnego.
Zmiana poziomu białka w gra polo, Moja c I Desat2 prawdopodobnie sprawiło, że sekwestracja i usuwanie ciał polarnych stała się nieefektywna. Dzięki temu dostępne jest jedno lub więcej ciałek polarnych, które mogą zastąpić brakujący męski przedjądro i rozpocząć rozwój embrionalny.
Odkrycia te mają wpływ na podejście do zwalczania szkodników owadzich poprzez wypuszczanie dużej liczby samców wysterylizowanych przez napromienianie lub samców noszących genomy edytowane w celu zakłócenia rozwoju potomstwa, a tym samym zmniejszenia liczby potomstwa. Nieświadomie takie podejście będzie również selekcjonować osoby fakultatywnie partenogenetyczne, ograniczając w ten sposób jego długoterminową skuteczność.
Autor jest emerytowanym naukowcem.
To jest Twój ostatni darmowy artykuł.
