Sexual- und Todeserkenntnisse eines mutierten Spulwurms: Mögliches Regulatorgen für Kompromisse in der Lebensgeschichte, die über eine pleiotrope NURF-1-Mutation in C. elegans gefunden wurden; bestätigt mit CRISPR Cas9 | 2020

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Anonim

Obwohl der Laborwurm nicht an irgendetwas denken und erst recht nicht überlegen kann, erfuhr er eine Mutation, die es ihm ermöglichte, das Überleben der Erwachsenen vorrangig vor der Entstehung von Nachkommen in Hülle und Fülle zu behandeln. Die Forscher bemerkten die Verhaltensänderung und die Mutation, nachdem LSJ2 50 Jahre lang mit Härten konfrontiert war.

Solche so genannten Kompromisse in Bezug auf die Lebensgeschichte wurden in vielen Lebewesen beschrieben, von Mäusen bis hin zu Elefanten. Jetzt haben Forscher am Georgia Institute of Technology zum ersten Mal eine bestimmte Mutation identifiziert.

"Dies ist ein großartiger Hinweis darauf, wie Abwägungen in Bezug auf die Lebensgeschichte genetisch reguliert werden können", sagte der leitende Forscher Patrick McGrath, Assistenzprofessor an der Georgia Tech School of Biological Sciences.

Die Forscher bestätigten den Zusammenhang mit LSJ2, einem Stamm der C. elegans Arten, indem die Mutation in einem anderen Stamm dupliziert wurde, der die Auswirkungen der Mutation in sehr hohem Maße reproduzierte.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift PLOS Genetics . Ihre Arbeit wurde von den National Institutes of Health und der Ellison Medical Foundation finanziert.

Schneeball zur Lawine

Die vom LSJ2-Stamm entwickelte Mutation entsprach einer geringen Deletion in seiner DNA. Infolgedessen veränderte sich ein großes Protein um magere 10 seiner ungefähr 3.000 Aminosäuren.

Dies löste jedoch eine umfassende Überarbeitung des Verhaltens aus, die die Lebensdauer verlängerte und die Fortpflanzung verlangsamte. Der Kontrast zwischen dem kleinen genetischen Tweak und seinen transformativen Konsequenzen lässt sich gut mit einem Kleinkind vergleichen, das eine Lawine mit einem Schneeball loswirft.

Die neue Entdeckung hat auch eine tangentiale Verbindung zur Humangenetik. Der Spulwurm teilt mit uns das NURF-1-Gen, auf dem die Mutation aufgetreten ist. Und ein assoziiertes menschliches Protein ist unter anderem an der Reproduktion beteiligt.

Entwickle dich bitte schneller

Auf einmal hat LSJ2 eine Menge merkwürdiger Dinge gemacht, und das hat die Aufmerksamkeit von McGrath und seinem Team erregt. Und dafür sind die Laborrundwürmer da.

Seit 1951 haben Generationen von Wissenschaftlern die Entwicklung von Laborgebundenen beschleunigt C. elegans indem die mikroskopisch kleinen Würmer gezwungen werden, sich an neue, meist stressige Bedingungen anzupassen. Dann, wenn Forscher Veränderungen bemerkt haben, haben sie daran gearbeitet, diese auf die Gene der Tiere zurückzuführen.

McGrath zeigt auf einen dünnen Glasobjektträger, der senkrecht unter einer Lampe mit daran angeschlossenen Flüssigkeitsröhrchen steht. Im Inneren des Objektträgers befindet sich eine andere Laborbelastung von C. elegans .

"Wir heben die Flüssigkeit mit der Schwerkraft an und ziehen sie nach unten, um zu sehen, ob sie durch Mutationen schwimmen können", sagte McGrath.

50 Jahre Brot und Wasser

Im Fall von LSJ2 stellten sich die Forscher einer anderen Herausforderung, um seine Entwicklung zu beschleunigen. Sie fütterten es 50 Jahre lang mit langweiligem Essen.

"Es ist eine Diät aus wässrigem Sojaextrakt mit etwas Rindfleischleber-Extrakt", sagte Wen Xu, ein Doktorand, der mit McGrath forscht. Hört sich für Menschen glücklich genug an, für den Spulwurm ist es das Schlimmste: Es entspricht einer Portion Brot und Wasser.

Mutationen fanden schließlich Anklang, um das Überleben von LSJ2 in der spärlichen Brühe zu fördern, und sie waren aufregend.

Weniger Kinder, weniger Schlaf

"Das Schlimme, was uns zuerst auffiel, war die Neigung, nicht länger in den Staat namens Dauer einzutreten", sagte McGrath. Es ist eine Art Überwinterung. "Dauer ist etwas am meisten C. elegans tun, um ihr Leben zu verlängern, aber LSJ2 nicht. Und es hat trotzdem länger gelebt. "

Dann wuchs die Liste der Anomalien und wuchs.

"Wir stellten fest, dass fast alles betroffen war - als sie begannen, sich zu vermehren, wie viele Nachkommen sie hatten, wie lange sie lebten", sagte McGrath. Einige überlebten sogar die Exposition gegenüber Drogen und Schwermetallen.

"Schließlich stellten wir fest, dass die Würmer das individuelle Überleben der Reproduktionsrate vorziehen."

Mutations-Sleuthing

Bei vielen Arten versiegt das Geschlecht, wenn die Nahrung knapp ist, was dazu führt, dass weniger Nachkommen im Wettbewerb stehen. Darüber hinaus sind viele Organismen gut gerüstet, um mit ihren Energien umzugehen und den Mangel zu überleben.

Aber C. elegans LSJ2 musste sich in diese Fähigkeiten verwandeln, und so viele mutationsbasierte Verhaltensänderungen auf einmal sind ungewöhnlich.

"Was Sie normalerweise finden, sind Mutationen, die enge, sehr spezifische Rollen spielen", sagte McGrath. "Sie beeinflussen nur die Eiablage, oder sie beeinflussen nur die Lebensdauer oder sie beeinflussen nur die Dauerbildung."

McGrath und Xu machten sich auf die Suche nach DNA-Veränderungen, indem sie quantitative Trait Loci kartierten, die Veränderungen in den Eigenschaften mit genetischen Veränderungen in Einklang bringen. Sie suchten lange nach Informationen und erwarteten mehrere Verdächtige unter den vielen Mutationen von LSJ2.

"Es gab Hunderte genetischer Unterschiede zwischen dem Spulwurmstamm LSJ2 und dem, mit dem wir ihn verglichen haben", sagte McGrath.

"Smoking Gun"

Der Vergleichslaborstamm heißt N2 und hat mit einer Diät von E. coli ein verwöhntes Dasein geführt - optimales Futter für C. elegans . (Sowohl E. coli als auch Spulwürmer sind Stämme, die für den Menschen nicht schädlich sind.)

N2 war also nicht so sehr dazu gedrängt worden, zu mutieren. Um Verwechslungen in ihren Forschungsergebnissen zu vermeiden, setzten die Forscher außerdem einige der Mutationen zurück, die N2 zufällig durchgemacht hat.

Der Vergleich führte zu raschen Nachweisen in LSJ2. "Es hat uns jedes Mal auf dieselbe genetische Region auf dem rechten Arm von Chromosom 2 hingewiesen", sagte McGrath. C. elegans hat sechs Chromosomen.

"Es gab nur fünf Gene, die Kandidaten waren. Eine der Mutationen war eine rauchende Waffe - eine Deletion von 60 Basenpaaren direkt am Ende des NURF-1-Gens."

NURF-1 hat die Funktion, Chromatin umzugestalten, das DNA mit Proteinen paart, um sie in Chromosomen einzuwickeln. Die resultierenden Konfigurationen beeinflussen stark, welche Gene exprimiert werden. Es scheint, dass die winzige Mutation im Remodeling-Gen zu einer massiven Veränderung der Expression anderer Gene geführt hat.

Es fehlen Teile, um den Weg vom mutierten Gen zu den massiven Veränderungen im wirklichen Leben zu verstehen, und die Forscher arbeiten daran, diese zu ergänzen.

Endlosschraube

Um die Mutation als Auslöser der Änderungen zu bestätigen, setzte Xu einen CRISPR Cas9-Geneditor in N2-Würmern ein, um die Deletion vorzunehmen, die LSJ2 über die Mutation erhalten hatte, und die Ergebnisse ließen kaum Zweifel aufkommen.

"Es hatte viele der gleichen Effekte - längere Lebensdauer, dauerhafte Bildung", sagte Xu. "Der Hauptunterschied war die Verringerung der Reproduktionsraten. Es war nur etwa die Hälfte des Vergleichswurms, der die Gen-Editierung erhielt."

Übrigens sind Spulwürmer beim Sex meist Zwitter, die Eier und ihr eigenes Sperma produzieren, um sie damit zu befruchten. Es gibt aber auch Männchen, die sich mit den Hermaphroditen paaren, um neues Sperma und damit genetische Vielfalt hinzuzufügen.