Istraživači sa Instituta Maks Plank za biologiju u Tibingenu otkrili su da je gen HMG-kutije u smeđim algama ključan za određivanje muškog pola. Ovaj proboj značajno proširuje naše razumevanje mehanizama određivanja pola u eukariotskim organizmima. Do sada su glavni geni za određivanje pola identifikovani samo u odabranom broju kičmenjaka i biljaka.
Objavljena u časopisu Nauka, ova studija osvetljava evolucione paralele u razvojnim putevima između životinja i morskih algi, uprkos milionima godina nezavisne evolucije. Ističe upotrebu zajedničkog genetskog alata kroz loze i istražuje udaljene evolucione konvergencije.
Dok je većina organizama koji se seksualno razmnožavaju često jasno muški ili ženski, genetski regulatorno određivanje pola u osnovi se uveliko razlikuje među vrstama. Ova raznolikost se proteže do naizgled jednostavnog izgleda smeđih algi, koje poseduju intrigantne mehanizme za određivanje pola.
Smeđe alge su morski, višećelijski, fotosintetski eukarioti. Ovi organizmi su razvili nekoliko ključnih bioloških osobina nezavisno od biljaka i životinja, kao što su višećelijska struktura, složeni životni ciklusi i polni hromozomi. S obzirom na ove jedinstvene osobine, smeđe alge služe kao odlični uzorni organizmi za proučavanje evolucionih aspekata reprodukcije.
Eukarioti obuhvataju niz organizama, od jednoćelijskih do složenih višećelijskih oblika, i pokazuju različite polne hromozome.
Sisari imaju KSKS/KSI sistem, gde mužjaci imaju Ks i I hromozome. Slično tome, u sistemu ZZ/ZV koji je primećen kod ptica, riba i nekih insekata, mužjaci obično imaju oba ZZ hromozoma. Sistemi KSKS/KSI i ZZ/ZV nastaju zato što životinje nose dve kopije svog genoma tokom embrionalnog razvoja, po jednu kopiju od svakog roditelja.
Ovi sistemi sadrže specifične faktore koji pokreću mušku ili žensku diferencijaciju, sa poznatim glavnim faktorima za određivanje pola identifikovanim na I i V hromozomima, respektivno. Nasuprot tome, U/V sistem je i dalje manje istražen, sa samo jednim faktorom koji određuje pol identifikovanim u algama, mahovinama i lišajevima. Gljive se, međutim, ne oslanjaju na posebne polne hromozome. Oni koriste gene tipa parenja da odrede svoj pol i sa kim mogu da se razmnožavaju.
Jedna karakteristična karakteristika smeđih algi je njihovo usvajanje sistema U/V polnih hromozoma. Smeđe alge određuju svoj pol u svom haploidnom stadijumu (tj. sa samo jednom kopijom svog genoma), za razliku od diploidnih životinja koje nose dva kompletna seta hromozoma. Smeđe alge nose samo muški V ili ženski U hromozom, određujući njihov pol.
Pre više od decenije, pod vođstvom dr Suzane Koeljo, istraživači su identifikovali polno specifičan region u muškom V hromozomu smeđe alge, koji sadrži gen koji kodira za protein HMG kutije koji su kasnije nazvali MIN (za muški Induktor).
HMG-kutija, domen koji se vezuje za DNK, univerzalno je prisutan kod eukariota u proteinima povezanim sa hromatinom i transkripcionim faktorima, uključujući faktor koji određuje pol SRI koji se nalazi kod ljudi i faktore determinacije tipa parenja u gljivama. U to vreme, raspoloživi alati i metodologije nisu mogli dokazati da li MIN pokreće razvojni put muškaraca u ovim organizmima.
Uvidi iz CRISPR/Cas genetske manipulacije
„U svom prirodnom staništu, gamete smeđih algi učestvuju u očaravajućem plesu parenja“, objašnjava dr Remi Lutringer, stručnjak za uzgoj algi i šef ustanove za kulturu algi na Institutu Maks Plank za biologiju u Tibingenu.
„Ženske gamete se brzo fiksiraju na supstrate i oslobađaju feromon, poput hemijskog signala, u morskoj vodi da privuku mužjake. Muške gamete aktivno plivaju koristeći dve flagele u progresivno bližim krugovima oko ženki, privučene svojim ‘parfemom’.“
Sa pojavom CRISPR/Cas tehnologije, koja se često naziva „gene makaze“, istraživači su mogli precizno ciljati i uređivati genetski materijal ovih smeđih algi. Koristili su ovaj alat za testiranje biološke funkcije MIN generisanjem mutanata sa gubitkom funkcije. Rezultat je bio jasan: „Zamršeni ples parenja muških polnih ćelija bio je odsutan u CRISPR mutantnim linijama. To znači da su u odsustvu MIN gamete postale potpuno neosetljive na ženski feromon.“
Dr Koeljo, direktor Odeljenja za razvoj i evoluciju algi, primećuje: „Kada smo izbacili MIN, gen koji određuje pol u smeđim algama, nismo primetili preokret u polu. Umesto toga, mužjaci su postali aseksualni. To je zato što nedostaje im komplementarni hromozom, ženski U hromozom. Ovo sugeriše da ženski faktor induktora na U hromozomu tek treba da bude otkriven.“ Kroz ove genetske eksperimente, istraživači su bacili svetlo na zamršene mehanizme koji upravljaju određivanjem muškog pola u smeđim algama.
Dr Koeljo primećuje: „Identifikovanje gena HMG domena kao glavnog polnog faktora smeđih algi otkriva da su životinje i morske alge nezavisno konvergirale na isto rešenje za određivanje muškog pola.“
Udubljujući se u evolucionu vremensku liniju, poslednji zajednički predak koji su delile alge i životinje bio je jednoćelijski i nije imao polne hromozome koji se razlikuju od ove dve grupe organizama. Dr Vikram Alva, vođa projekta u Protein Bioinformatics, pojašnjava: „Poreklo domena HMG-kutije se može pratiti do poslednjeg zajedničkog pretka eukariota, dok je MIN evoluirao kasnije u zajedničkom pretku smeđih algi.
Faktori za određivanje pola kod smeđih algi, gljiva i sisara dele homologni domen HMG kutije, što ukazuje da potiču iz zajedničke genetike predaka. Dr Alva naglašava: „Dok su MIN i SRI homologni, oni nisu ortologni; oni su izvedeni pre nego što su se loze razišle u različite organizme. Njihove funkcionalne sličnosti su primer konvergentne evolucije, pri čemu je domen HMG-kutije prilagodio sličnu ulogu u organizmima uprkos njihovoj nezavisnoj evoluciji“.
Jednostavno rečeno, to je kao da su lego kockice iz iste kutije korišćene za izgradnju različitih gena. Lego kocke imaju funkcionalne sličnosti i zajedničko poreklo, ali se rezultati razlikuju. „U ovom slučaju, životinje i smeđe alge su nezavisno koristile slične gradivne blokove da bi postigli isti rezultat, određivanje muškog pola“, pojašnjava dr Žozue Barera-Redondo, Humboldtov naučni saradnik u timu dr Koelja.
Budući napori ovih istraživača će uključivati identifikaciju glavnog gena koji upravlja određivanjem ženskog pola u smeđim algama i razumevanje njihovog aseksualnog fenotipa kada im nedostaje U hromozom.
Određivanje ovog ključnog MIN gena omogućava istraživačima da se dublje udube u evolucionu dinamiku koja oblikuje mehanizme za određivanje pola na drvetu života, nadilazeći tradicionalne životinjske i biljne modele. Ovaj istraživački pravac ima potencijal da pruži sveobuhvatniju sliku genetskih mehanizama koji su u osnovi određivanja pola u smeđim algama, doprinoseći našem širem razumevanju evolucione biologije i regulacije razvoja.
