Nachrichten | Studie zeigt, wie „egoistische Chromosomen“ genetische Mechanismen nutzen, um konkurrierende Spermien zu eliminieren
Eine neue, von der University of Utah geleitete Studie hat einen genetischen Mechanismus aufgeklärt, der Evolutionsbiologen seit Langem vor ein Rätsel stellt: wie „egoistische Chromosomen“ die Fortpflanzung manipulieren, um ihre Wahrscheinlichkeit der Weitergabe an die nächste Generation zu erhöhen. Die Studie zeigte, dass diese Chromosomen ein Gen namens Overdrive (Ovd) nutzen, um konkurrierende Spermien zu eliminieren.
Normalerweise sorgt Overdrive während der Spermienentwicklung für eine „Qualitätskontrolle“, indem es abnorme Spermien erkennt und entfernt. Egoistische Chromosomen nutzen diesen Mechanismus aus, um gesunde Konkurrenten zu eliminieren und ihre eigene Wahrscheinlichkeit der Vererbung zu erhöhen.
Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Segregationsverzerrung durchbricht die 50%-Vererbungsregel
Nach den mendelschen Vererbungsregeln haben elterliche Gene im Allgemeinen eine Wahrscheinlichkeit von etwa 50%, an die Nachkommen weitergegeben zu werden. In manchen Fällen nutzen Gene jedoch spezielle Mechanismen, um ihre Vererbungswahrscheinlichkeit zu erhöhen.
Dieses Phänomen wird als Segregationsverzerrung bezeichnet.
Das Team beobachtete dieses Phänomen bei zwei Fruchtfliegenarten. Obwohl die Arten völlig unterschiedliche egoistische Chromosomen tragen, nutzen beide denselben genetischen Signalweg – Overdrive.
Der Erstautor und Biologe der University of Utah, Jackson Ridges, sagte, dies sei der erste Befund, dass unabhängig voneinander entwickelte egoistische Chromosomen dasselbe Gen nutzen, um konkurrierende Gameten zu eliminieren.
Er sagte: „Dies ist der erste Nachweis, dass dasselbe Gen in mehreren unabhängig entstandenen Systemen egoistischer Chromosomen eine Schlüsselrolle spielt. Dies deutet darauf hin, dass sich verschiedene Chromosomen unabhängig voneinander entwickeln können, während sie denselben zellulären Mechanismus nutzen.“
Overdrive entfernt normalerweise abnorme Spermien
Die Forschenden stellten fest, dass Overdrive während der Spermienentwicklung normalerweise wie ein Qualitätskontrollsystem funktioniert.
Wenn während der Spermienbildung Anomalien auftreten, löst Ovd einen Mechanismus aus, der verhindert, dass sich diese Gameten weiterentwickeln, und so zur Qualität der Keimzellen beiträgt.
Egoistische Chromosomen können diesen Mechanismus so manipulieren, dass er nicht nur abnorme Spermien, sondern auch normale Spermien mit anderen Chromosomen entfernt.
Dadurch erhalten Spermien mit dem egoistischen Chromosom einen Wettbewerbsvorteil, und die Wahrscheinlichkeit steigt, dass das Chromosom die nächste Generation erreicht.
Gen-Knockout-Experimente zeigen seine Schlüsselrolle
Um die Rolle von Ovd zu untersuchen, führte das Team Gen-Knockout-Experimente mit Drosophila pseudoobscura und Drosophila melanogaster durch.
Sie löschten Ovd und beobachteten die Auswirkungen auf die Fortpflanzung. Überraschenderweise produzierten die Fliegen auch ohne dieses Gen weiterhin weitgehend normale Spermien.
Dies deutet darauf hin, dass Ovd für die Spermienbildung nicht essenziell ist, sondern wahrscheinlich die Qualitätskontrolle übernimmt.
Die Forschenden verglichen diesen Mechanismus mit dem bekannten Tumorsuppressorgen P53. P53 verhindert normalerweise eine übermäßige Zellvermehrung, doch ohne DNA-Schäden können Zellen auch ohne dieses Gen überleben.
Daher stellten die Forschenden die Hypothese auf, dass Ovd nur aktiv wird, wenn es eine Anomalie erkennt.
Hitzeexperiment bestätigt die Funktion der Qualitätskontrolle
Um diese Hypothese zu prüfen, nutzten die Forschenden ein bekanntes Phänomen bei der Fortpflanzung von Fruchtfliegen: Männliche Fliegen werden oberhalb von 31°C im Allgemeinen unfruchtbar, obwohl der Grund dafür unklar war.
Normale Fliegen und Fliegen ohne Ovd wurden eine Woche lang bei hoher Temperatur gehalten.
Normale Fliegen wurden vollständig unfruchtbar, während Fliegen ohne Ovd weiterhin Nachkommen zeugten.
Das Team schloss daraus, dass Ovd unter Stress wie hoher Temperatur möglicherweise geschädigte Spermien an der Entwicklung hindert und dadurch die Bildung minderwertiger Gameten verhindert.
Der Mitautor und außerordentliche Professor an der University of Utah, Nitin Phadnis, sagte: „Dieses Ergebnis macht es nahezu sicher, dass die normale Funktion von Overdrive darin besteht, die Bildung abnormer Gameten zu verhindern. Wenn wir diesen ‚Blocker‘ entfernen, verschwindet auch das Verhalten der egoistischen Chromosomen.“
Die Forschenden betonten, dass Overdrive selbst kein „egoistisches Gen“, sondern ein von egoistischen Chromosomen ausgenutztes Qualitätskontrollsystem der Fortpflanzung ist.
Mögliche Hinweise auf Unfruchtbarkeit und die Evolution von Arten
Wissenschaftler entdeckten die Segregationsverzerrung erstmals bei der Fruchtfliege Drosophila obscura in den 1920s. Seitdem wurden ähnliche Mechanismen im gesamten Tierreich gefunden, von Fadenwürmern bis zu Säugetieren, doch ihre molekulare Grundlage blieb unklar.
Obwohl beim Menschen kein identisches genetisches System identifiziert wurde, glauben die Forschenden, dass Menschen ähnliche Mechanismen zur Fortpflanzungs-Qualitätskontrolle besitzen könnten, an denen andere molekulare Werkzeuge beteiligt sind.
Das Team erklärte, die Entdeckung könne neue Hinweise auf die genetischen Mechanismen der männlichen Unfruchtbarkeit und der reproduktiven Isolation zwischen Arten liefern.
Phadnis merkte an, dass Wissenschaftler seit Langem zu erklären versuchen, wie egoistische Gene Unfruchtbarkeit verursachen und die Artbildung vorantreiben; eine eingehendere Untersuchung von Overdrive eröffnet hierfür eine neue Richtung.
Künftige Studien untersuchen ähnliche Mechanismen bei weiteren Arten
Das Team plant, Overdrive bei weiteren Fruchtfliegenarten auszuschalten, um zu prüfen, ob auch andere egoistische Chromosomen dieses Qualitätskontrollsystem nutzen.
Die Forschenden wollen außerdem untersuchen, ob in der menschlichen Entwicklungslinie eine ähnliche Segregationsverzerrung existiert.
Sie erklärten, ein tieferes Verständnis dieser genetischen „internen Konkurrenz“ könne genetische Konflikte in der Evolution sichtbar machen und die Reproduktionsbiologie sowie die Genetik voranbringen.
Nachrichten | Studie zeigt, wie „egoistische Chromosomen“ genetische Mechanismen kapern, um konkurrierende Spermien zu beseitigen
Nachrichten | Studie zeigt, wie „egoistische Chromosomen“ genetische Mechanismen nutzen, um konkurrierende Spermien zu eliminieren
Eine neue, von der University of Utah geleitete Studie hat einen genetischen Mechanismus aufgeklärt, der Evolutionsbiologen seit Langem vor ein Rätsel stellt: wie „egoistische Chromosomen“ die Fortpflanzung manipulieren, um ihre Wahrscheinlichkeit der Weitergabe an die nächste Generation zu erhöhen. Die Studie zeigte, dass diese Chromosomen ein Gen namens Overdrive (Ovd) nutzen, um konkurrierende Spermien zu eliminieren.
Normalerweise sorgt Overdrive während der Spermienentwicklung für eine „Qualitätskontrolle“, indem es abnorme Spermien erkennt und entfernt. Egoistische Chromosomen nutzen diesen Mechanismus aus, um gesunde Konkurrenten zu eliminieren und ihre eigene Wahrscheinlichkeit der Vererbung zu erhöhen.
Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Segregationsverzerrung durchbricht die 50%-Vererbungsregel
Nach den mendelschen Vererbungsregeln haben elterliche Gene im Allgemeinen eine Wahrscheinlichkeit von etwa 50%, an die Nachkommen weitergegeben zu werden. In manchen Fällen nutzen Gene jedoch spezielle Mechanismen, um ihre Vererbungswahrscheinlichkeit zu erhöhen.
Dieses Phänomen wird als Segregationsverzerrung bezeichnet.
Das Team beobachtete dieses Phänomen bei zwei Fruchtfliegenarten. Obwohl die Arten völlig unterschiedliche egoistische Chromosomen tragen, nutzen beide denselben genetischen Signalweg – Overdrive.
Der Erstautor und Biologe der University of Utah, Jackson Ridges, sagte, dies sei der erste Befund, dass unabhängig voneinander entwickelte egoistische Chromosomen dasselbe Gen nutzen, um konkurrierende Gameten zu eliminieren.
Er sagte: „Dies ist der erste Nachweis, dass dasselbe Gen in mehreren unabhängig entstandenen Systemen egoistischer Chromosomen eine Schlüsselrolle spielt. Dies deutet darauf hin, dass sich verschiedene Chromosomen unabhängig voneinander entwickeln können, während sie denselben zellulären Mechanismus nutzen.“
Overdrive entfernt normalerweise abnorme Spermien
Die Forschenden stellten fest, dass Overdrive während der Spermienentwicklung normalerweise wie ein Qualitätskontrollsystem funktioniert.
Wenn während der Spermienbildung Anomalien auftreten, löst Ovd einen Mechanismus aus, der verhindert, dass sich diese Gameten weiterentwickeln, und so zur Qualität der Keimzellen beiträgt.
Egoistische Chromosomen können diesen Mechanismus so manipulieren, dass er nicht nur abnorme Spermien, sondern auch normale Spermien mit anderen Chromosomen entfernt.
Dadurch erhalten Spermien mit dem egoistischen Chromosom einen Wettbewerbsvorteil, und die Wahrscheinlichkeit steigt, dass das Chromosom die nächste Generation erreicht.
Gen-Knockout-Experimente zeigen seine Schlüsselrolle
Um die Rolle von Ovd zu untersuchen, führte das Team Gen-Knockout-Experimente mit Drosophila pseudoobscura und Drosophila melanogaster durch.
Sie löschten Ovd und beobachteten die Auswirkungen auf die Fortpflanzung. Überraschenderweise produzierten die Fliegen auch ohne dieses Gen weiterhin weitgehend normale Spermien.
Dies deutet darauf hin, dass Ovd für die Spermienbildung nicht essenziell ist, sondern wahrscheinlich die Qualitätskontrolle übernimmt.
Die Forschenden verglichen diesen Mechanismus mit dem bekannten Tumorsuppressorgen P53. P53 verhindert normalerweise eine übermäßige Zellvermehrung, doch ohne DNA-Schäden können Zellen auch ohne dieses Gen überleben.
Daher stellten die Forschenden die Hypothese auf, dass Ovd nur aktiv wird, wenn es eine Anomalie erkennt.
Hitzeexperiment bestätigt die Funktion der Qualitätskontrolle
Um diese Hypothese zu prüfen, nutzten die Forschenden ein bekanntes Phänomen bei der Fortpflanzung von Fruchtfliegen: Männliche Fliegen werden oberhalb von 31°C im Allgemeinen unfruchtbar, obwohl der Grund dafür unklar war.
Normale Fliegen und Fliegen ohne Ovd wurden eine Woche lang bei hoher Temperatur gehalten.
Normale Fliegen wurden vollständig unfruchtbar, während Fliegen ohne Ovd weiterhin Nachkommen zeugten.
Das Team schloss daraus, dass Ovd unter Stress wie hoher Temperatur möglicherweise geschädigte Spermien an der Entwicklung hindert und dadurch die Bildung minderwertiger Gameten verhindert.
Der Mitautor und außerordentliche Professor an der University of Utah, Nitin Phadnis, sagte: „Dieses Ergebnis macht es nahezu sicher, dass die normale Funktion von Overdrive darin besteht, die Bildung abnormer Gameten zu verhindern. Wenn wir diesen ‚Blocker‘ entfernen, verschwindet auch das Verhalten der egoistischen Chromosomen.“
Die Forschenden betonten, dass Overdrive selbst kein „egoistisches Gen“, sondern ein von egoistischen Chromosomen ausgenutztes Qualitätskontrollsystem der Fortpflanzung ist.
Mögliche Hinweise auf Unfruchtbarkeit und die Evolution von Arten
Wissenschaftler entdeckten die Segregationsverzerrung erstmals bei der Fruchtfliege Drosophila obscura in den 1920s. Seitdem wurden ähnliche Mechanismen im gesamten Tierreich gefunden, von Fadenwürmern bis zu Säugetieren, doch ihre molekulare Grundlage blieb unklar.
Obwohl beim Menschen kein identisches genetisches System identifiziert wurde, glauben die Forschenden, dass Menschen ähnliche Mechanismen zur Fortpflanzungs-Qualitätskontrolle besitzen könnten, an denen andere molekulare Werkzeuge beteiligt sind.
Das Team erklärte, die Entdeckung könne neue Hinweise auf die genetischen Mechanismen der männlichen Unfruchtbarkeit und der reproduktiven Isolation zwischen Arten liefern.
Phadnis merkte an, dass Wissenschaftler seit Langem zu erklären versuchen, wie egoistische Gene Unfruchtbarkeit verursachen und die Artbildung vorantreiben; eine eingehendere Untersuchung von Overdrive eröffnet hierfür eine neue Richtung.
Künftige Studien untersuchen ähnliche Mechanismen bei weiteren Arten
Das Team plant, Overdrive bei weiteren Fruchtfliegenarten auszuschalten, um zu prüfen, ob auch andere egoistische Chromosomen dieses Qualitätskontrollsystem nutzen.
Die Forschenden wollen außerdem untersuchen, ob in der menschlichen Entwicklungslinie eine ähnliche Segregationsverzerrung existiert.
Sie erklärten, ein tieferes Verständnis dieser genetischen „internen Konkurrenz“ könne genetische Konflikte in der Evolution sichtbar machen und die Reproduktionsbiologie sowie die Genetik voranbringen.
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