Oamenii de stiinta mapeaza evolutia cromozomilor sexuali in ciuperci patogene

Biologic vorbind, aproape fiecare specie de pe Pamant are doua sexe opuse, masculin si feminin. Dar cu niste ciuperci si alti microbi, sexul poate fi mult mai complicat. Unii membri ai Cryptococcus , o familie de ciuperci legate de boala umana, pot avea zeci de mii de tipuri de imperechere diferite.

Intr-un studiu aparut la inceputul zilei de 11 august in PLOS Biology , cercetatorii Duke au cartografiat punctul de cotitura evolutiv care a transformat forma patogena a Cryptococcus de la un organism de mai multe sexe la unul cu doar doua. Ei au descoperit ca in timpul evolutiei, o remaniere a ADN-ului cunoscut sub numele de translocare a reunit bucati separate de gene determinante de sex pe un singur cromozom, imitand in esenta cromozomul X sau Y uman.

In mod surprinzator, au aratat ca aceste translocari cruciale au avut loc la centromeres, legaturile intortocheate care intretin cromozomii in centrul unei perechi in forma de x. Aceste regiuni ale cromozomului sunt atat de dense incat, odata, s-a crezut ca vor fi indepartate din recombinare.

“Recombinarea la centromere nu trebuie sa se intample frecvent, trebuie doar sa se intample destul de des incat sa puncteze evolutia organismului”, a spus Joseph Heitman, MD, PhD, autor de studiu principal si profesor si catedra de genetica moleculara si microbiologie la Duke University School of Medicine. “Cu fiecare translocare, genomul este modificat din nou si din nou, pana cand ati evoluat o specie cu totul noua.”

Oamenii de stiinta studiaza evolutia cromozomilor sexuali de mai bine de un secol. In anii 1960, geneticianul si biologul evolutionist japonez-american Susumu Ohno a propus o teorie in care genele care determina sexul au aparut pentru prima data in diverse locuri imprastiate pe intregul genom, dar in timp au fost „capturate” pe cromozomii sexuali. La om, acei cromozomi merg prin X si Y familiari; la pasari, ele sunt cunoscute sub numele de Z si W; in muschi, ei se numesc U si V.

Indiferent de nume sau specie, Heitman sustine ca unele principii universale ar putea guverna evolutia tuturor cromozomilor sexuali. El si o echipa internationala de cercetatori s-au concentrat asupra ultimului stramos comun al Cryptococcus neoformans patogen uman si al celor mai apropiate specii de frati, un ne-patogen numit Cryptococcus amylolentus .

In C. amylolentus , zeci de gene din doua locatii diferite de pe cromozomi controleaza ceea ce se numeste un sistem de imperechere tetrapolara sau in patru parti. La un loc sau locus cunoscut sub numele de P / R, genele codifica feromoni si receptorii feromoni care ajuta ciuperca sa recunoasca tipurile de imperechere compatibile. La celalalt locus, numit HD, genele guverneaza dezvoltarea structurilor sexuale si a sporilor de reproducere.

Cercetatorii au secventiat intregul genom al C. amylolentus , cartografind locatia tuturor genelor, precum si a centromilor pe fiecare dintre cei 14 cromozomi ai organismului.

Ei au descoperit ca genomii au suferit destul de o rearanjare, deoarece cele doua specii au impartasit un stramos comun, cu cel putin 50 de milioane de ani in urma. De exemplu, cromozomul 1 din C. neoformans continea bucati de patru cromozomi diferiti de la C. amylolentus , oferind dovezi de translocari multiple, unele din centromere.

“Asta a fost foarte surprinzator. Dogma a fost ca recombinarea este reprimata in regiunile centromerice”, a spus Sheng Sun, doctorat, autor principal al studiului si profesor asistent de cercetare la Scoala de Medicina din Duke University.

In anii 1980, o lucrare seminala a colegului Ducelui Tom Petes a demonstrat recombinarea ar putea sa apara pe centromine in Saccharomyces cerevisiae, dar unii au atribuit constatarea unei infractiuni a organismului model preferat cu centromeri minusculi. Dar de atunci, au aparut alte studii care sugereaza ca fenomenul a fost raspandit mai larg.

In acest studiu, cercetatorii au aratat ca in Cryptococcus amylolentus, starea ancestrala, locusul P / R locuia pe cromozomul 10 si locusul HD pe cromozomul 11. Dar in Cryptococcus neoformans, starea evoluata, acele loci au sfarsit intr-un singur loc. Conform modelului lor, translocari multiple au depus cei doi determinanti de sex pe acelasi cromozom, cu un centromer intre ei. Reorganizarile ulterioare pun P / R si HD unul langa altul. Rezultatul a fost un organism cu un sistem de imperechere bipolara, la fel ca sexele masculine si feminine care intruchipeaza majoritatea speciilor.

“In orice fel de model ca acesta, va ganditi la ce ar fi putut fi organizatia din ultimul stramos comun, care acum este disparut, astfel incat nu puteti sti definitiv”, a spus Heitman. “Dar in fiecare dintre aceste linii, exista mai multe evenimente evolutive care au avut loc si puteti utiliza genomica pentru a intoarce mainile timpului si a deduce traiectoria.”

Heitman spune ca studiul lor sugereaza ca alti cercetatori ar trebui sa caute in mod activ translocari, atat in ​​locatiile asteptate, cat si in cadrul centromelor. Aceste rearanjari cromozomiale sunt o cauza comuna a defectelor la nastere si a cancerului la om.

El si colegii sai investigheaza in prezent daca apar evolutii similare in evolutia cromozomilor sexuali in alte familii fungice, cum ar fi Ustilago si Malassezia.