蠕虫物种在进化为自身受精后失去了7,000个基因

UMD领导的研究发现，使自身受精的蠕虫失去了四分之一的基因组，包括使精子具有竞争力的基因。大多数动物物种的繁殖需要两个人之间的繁殖。但是一些蠕虫已经进化出了独自运作的能力。在这些物种中，一个人可以自己繁殖以产生后代。

马里兰大学领导的一项新研究发现，获得这种被称为“自交”的能力可能导致蠕虫物种失去四分之一的基因组，包括在交配期间使雄性精子具有竞争优势的基因。

“我们的结果表明，即使在性系统发生变化时，数千万年必不可少的基因也会突然变得无用或负债，”UMD生物学教授，该研究的首席研究员Eric Haag说。发表在2018年1月5日的“科学”杂志上。

一百万年前，一种名为Caenorhabditis briggsae的微小蠕虫通过自交进化而来。因此，大多数C. briggsae是具有雄性和雌性性器官的雌雄同体。Haag的小组专注于性别的进化，因其不寻常的生殖行为而长期研究C. briggsae。

为了研究自交如何塑造C. briggsae的进化，康奈尔大学分子生物学和遗传学助理研究教授，该研究的共同作者Erich Schwarz对C. briggsae的最近亲属Caenorhabditis nigoni的基因组进行了测序。。C. nigoni总是通过与其他个体交配或异交来繁殖。通过比较这两个物种的基因组，研究人员发现自交C. briggsae蠕虫的基因比C. nigoni少7000个。随着时间的推移，C。briggsae失去了大约四分之一的基因组。

因为两种蠕虫的主要区别在于它们的繁殖方法，研究人员假设从异交到自交的转变导致基因缺失。为了证实这一点，他们比较了C. nigoni雄性和雌性中的基因活性，发现C. briggsae失去的基因中几乎四分之三在C. nigoni雄性中比雌性更活跃。

为寻找丢失的基因可能的性别相关功能，研究人员专注于C. nigoni所拥有的“雄性分泌短”(mss)基因家族，但C. briggsae没有。事实上，没有已知的自交型Caenorhabditis物种具有mss基因。根据Haag，Schwarz，前UMD研究生Cristel Thomas(博士，11，分子和细胞生物学)和前UMD本科生Rebecca Felde的先前研究，mss基因仅在异型物种的雄性蠕虫中活跃。 (BS '13，生物科学)。

研究人员使用一种名为CRISPR的基因编辑工具从异型物种Caenorhabditis remanei中移除了4个mss基因。结果，来自缺乏mss基因编码的蛋白质的雄性C. remanei蠕虫的精子不能与来自野生型C. remanei雄性的精子竞争。相反，当研究人员将mss基因插入雄性C. briggsae蠕虫时，它们的精子胜过野生型C. briggsae雄性和野生型C. briggsae雌雄同体的精子。

研究人员还发现，mss基因可编码覆盖精子细胞表面的短蛋白质。总之，结果表明mss基因使雄性蠕虫的精子在交配期间具有竞争优势。

“事实上，所有自交物种都失去了mss基因，这表明这些基因对于具有男女性行为的蠕虫非常有用，对于不再发生性行为的蠕虫是有害的，”Haag说。“我们所看到的是物种如何微调其繁殖的进化快照。”

根据Haag的说法，蠕虫的自交物种可能已经失去了mss基因，因为有竞争性的男性精子是有害的。在研究期间，研究人员发现，拥有更具竞争力的男性精子会改变物种的性别比例，从而增加男性的生产。这种转变可能会使蠕虫的生存面临风险，因为过多的雄性会减缓人口增长，而在野外，蠕虫必须尽快繁殖才能生存。

根据哈格小组的生物科学研究生和该研究的第一作者大尹的说法，确认竞争性雄性精子可能对C. briggsae造成伤害的实验正在进行中。

“我们已经开始比较有和没有mss基因的C. briggsae种群的生长，这使我们能够通过选择来测试mss基因是否可能已被驱逐出C. briggsae的基因组，”Yin说。“我们的假设是，具有mss基因的C. briggsae种群将因其雄性数量增加而变慢。”

展望未来，Haag和他的合作者还计划调查mss基因如何帮助精子竞争。他们还希望筛选剩下的7,000个丢失的基因，以发现它们在C. briggsae中的作用。

施瓦茨说：“一个非常小但很重要的基因数量可能在雄性 - 雌性交配中扮演着非常长期的角色，这些角色可以追溯到7亿年前的动物生命的开始。”

研究论文“自生育线虫中的快速基因组缩减揭示了精子竞争蛋白”，Da Yin，Erich Schwarz，Cristel Thomas，Rebecca Felde，Ian Korf，Asher Cutter，Caitlin Schartner，Edward Ralston，Barbara Meyer和Eric Haag，于2018年1月5日发表在“科学”杂志上。