Bir Mutasyon Karıncaları Bir Nesilde Parazite Dönüştürdü

Araştırmacı ne zaman Daniel Kronauer 2008'de hala doktora sonrasıydı, klonal akıncı karıncaların (türler) vahşi örnekleri için Japonya'nın Okinawa kentine gitti. Ooceraea biroi). Topladığı ilk kolonide garip görünüşlü iki karınca fark etti. İşçiler gibi küçüktüler ama aynı zamanda küçük kanat tomurcukları taşıyorlardı, bu dikkat çekiciydi çünkü genellikle sadece kraliçe karıncalar kanat geliştiriyor. Bunu daha da garip yapan şey, klonal akıncı karıncaların kraliçelerinin bile olmamasıydı: İsimlerine uygun olarak, bu karıncalar eşeysiz ürerler, yani bir kolonideki tüm karıncalar neredeyse mükemmel genetik klonlardır.

Kronauer, aynı tür olduklarına inansa da diğer klonal akıncı karıncalardan çok farklı göründükleri için minyatür kraliçeler ilgisini çekmişti. Ancak sorularının yanıtları gelmiyordu, bu yüzden bazı örnekler aldı, kayıt için bazı fotoğraflar çekti ve ardından işine devam etti.

Birkaç yıl sonra Kronauer, Rockefeller Üniversitesi'nde bir laboratuvar kurdu ve çalışma için klonal akıncı karıncalardan oluşan bir koloni kurdu. Bir gün, o zamanki doktora öğrencisi Buck Üçlüsü o kolonide birkaç tuhaf minyatür kraliçe daha buldu ve onları karakterize etmeye karar verdi.

Trible, karıncaların tek sıra dışı özelliğinin kanatlar olmadığını keşfetti. Garip karıncalar ayrıca farklı sosyal davranışlar gösterdiler, daha büyük yumurtalıklara sahiptiler ve iki kat daha fazla yumurta bıraktılar. Genetik araçları kullanarak, tüm bu değişikliklerin izini 2.25 milyon baz çifti uzunluğundaki bir DNA dizisine kadar sürdü. Sıradan karıncalarda, 13. kromozomun iki kopyasındaki DNA farklıydı. Ancak minyatür kraliçe karıncalarda iki kopya aynıydı.

Trible, Kronauer ve meslektaşları olarak mart ayında bildirildi in Current Biology, tuhaf karıncaların tüm özelliklerine - kanatlar, sosyal davranışlar ve üreme özellikleri - genetikçilerin süper gen dediği şey, bir birim olarak miras alınan ve parçalanmaya karşı oldukça dirençli olan genlerin bir koleksiyonu neden oldu. Karıncalar, evrimlerinin bir noktasında, bu süpergenin ikinci bir kopyasını edindiler ve bu kromozomal değişiklik, vücutlarını ve davranışlarını değiştirdi. Bulgular, vücut parçalarının ve davranışların karmaşık kombinasyonlarının evrimde bazen birdenbire nasıl ortaya çıkabileceğine dair yeni bir mekanizma önerdi: bir ışık anahtarı tarafından kontrol edilen ışık dizileri gibi tüm özellik takımlarını açıp kapatan bir süpergeni kopyalayan bir mutasyon aracılığıyla.

Karınca araştırmacıları çalışmadan heyecan duyuyorlar ve sadece böceklerde en az bir sosyal asalaklık biçiminin nasıl geliştiğine dair onlarca yıllık bir gizemi çözüyor gibi göründüğü için değil. Süpergen keşifleri, karıncaların genetik mimarisinde, kolonilerinin kraliçeler ve işçilerden oluşan hiyerarşik kastlar olarak gelişmesini sağlayan, uzun süredir aranan özellikleri tespit etmelerine de yardımcı olabilir.

Daha genel olarak, yeni çalışma aynı zamanda, tek bir türdeki bireylerin ne kadar farklı olabileceğine dair temel bir evrim sorusuna dair içgörüler sunuyor.

"Bu çalışmayla ilgili en heyecan verici şey, gelecekte ne kadar yön açacağıdır" dedi. Jessica PurcellRiverside'daki California Üniversitesi'nde karınca genomlarını inceleyen evrimsel bir genetikçi.

Parazitlik Paradoksu

Karıncalar, Kronauer ve Trible gibi araştırmacıların ilgisini çekiyor çünkü çoğu türün biyolojisine bağlı bir sosyal yapısı var. Tipik bir yuvada, tek bir büyük, üreyen kraliçe karınca, kızları olan daha küçük, üremeyen dişi işçilerden oluşan lejyonlara başkanlık eder. İşçiler bir yuva inşa eder, yiyecek toplar, istilacıları püskürtür ve koloninin gençleriyle ilgilenir ve kraliçeyi sadece yumurtlaması için serbest bırakır.

Bununla birlikte, bazı karınca türleri, sosyal asalaklık biçimlerine girerek bu plandan ayrılırlar - yani başka bir karınca türünün sosyal yapısını istismar ederler. Örneğin köle yapan karıncalar, diğer yuvalardan larvaları çalar ve onları köle tacirlerinin kraliçesine hizmet eden işçiler olmaları için kimyasal olarak damgalar.

Onlarca yıl önce araştırmacılar, bazı karınca türlerinin daha gizli bir asalaklık türü kullandığını fark ettiler. Parazitler işçi kastlarını kaybettiler. Küçük kraliçeleri hayatta kalabilmek için diğer karınca türlerinin kolonilerine sızar ve orada yumurta bırakır. Sömürülen ev sahibi işçiler daha sonra yavrularına bakmaktan onları korumaya ve beslemeye kadar onlar için her şeyi yaparlar. Türler arasında böyle bir ilişkiye zorunlu asalaklık denir, çünkü parazitler kendi başlarına yaşayamazlar.

Bazen inquilines (Latince "kiracılar" anlamına gelen kelimeden gelir) olarak adlandırılan bu işçisiz sosyal parazitler, insan gözüyle onları ev sahiplerinden kolayca ayıran ayırt edici bir görünüme sahiptir. Ancak asalak planları başarılı oluyor çünkü kendilerini kamufle etmek için ev sahibi yuvasından kimyasal kokuları çalmanın yollarını geliştirdiler.

Genomik analizler, karınca inquiline türlerinin bağımsız olarak onlarca kez evrimleştiğini ve neredeyse hepsinin, normalde karıncalar gibi görünen ve davranan yakından ilişkili bir türü parazitlediğini göstermiştir. Evrimci biyologlar için bu bir gizem oluşturuyordu: Zorunlu sosyal asalakların yeni bir türü, konakçı türünden nasıl evrimleşebilir? Ataları aynı yuvada birlikte yaşamış olsalardı, çok kolay çiftleşirlerdi.

Uzun yıllar boyunca araştırmacılar, ilk adımın üreme izolasyonu olduğunu varsaydılar: sorgulayanların erken ataları, akrabalarından genetik olarak onlardan ayrılıp yeni bir tür haline gelene kadar üreme açısından izole edilmiş normal karıncalardı. Kendi başlarına yaşayabilirlerdi, ancak bazıları sonunda yardım için atalarının yuvalarına gizlice girmenin faydalarını keşfetti. Ev sahiplerine bağımlılıkları giderek arttı ve isteğe bağlı veya "isteğe bağlı" bir asalaklık durumundan zorunlu asalaklığa doğru evrim geçirdiler.

Kronauer'in açıkladığı gibi, bu fikirle ilgili sorun, sürecin temel, erken bir adımı olması gereken şeyi vahşi doğada hiç kimsenin gözlemlememiş olmasıdır: yakın akrabalarından yalıtılmış olarak yaşayan özgür yaşayan, ihtiyari sosyal parazitler.

Trible ve Kronauer'in yeni bulguları önceki varsayımları alt üst eder. Alternatif senaryoları, klonal akıncı karıncalardaki uyumsuz süpergen çiftine odaklandı. Tarihin bir döneminde, bu karıncalardan biri, bir kromozomdaki süpergeni, diğer kromozomdaki süpergenin bir kopyasıyla değiştiren bir mutasyon deneyimlemişti. Ortaya çıkan, süpergenin "asalak" versiyonunun iki kopyasına sahip olan mutant karınca, birdenbire sorguya çok benzeyen minyatür bir kraliçeye dönüşebilirdi.

Çalışma, bir süpergendeki tek bir mutasyonun, zorunlu parazitlerde gözlemlenen tüm değişiklikleri, hatta karıncalar türleşme yoluyla bölünmeden önce bile üretmek için yeterli olduğunu gösterdi.

Şu anda Harvard Üniversitesi'nde olan Trible, "Serbest yaşamaktan zorunlu olarak asalaklığa bir adımda gidebilirsiniz ve üreme açısından izole edilmiş isteğe bağlı bir ara popülasyonu içeren bir dizi kademeli adım atmanız gerekmez" dedi. "Emin olabileceğimiz şey, özgür yaşayan bir ebeveynin hemen zorunlu bir asalak olan bir kızı olduğudur."

Devam etti: "Bu, klasik evrim teorisyenlerinin hiçbirinin aklına gelmemiş bir senaryoydu, çünkü bu senaryonun sizin için çok büyük bir sıçrama olduğu düşünülüyordu."

Kronauer, tek bir mutasyonun tüm bu özellikleri tek bir adımda değiştirebileceği gerçeğinin "bu tuhaf, işçisiz sosyal parazitlerin evrimi hakkındaki düşüncelerimizi gerçekten değiştirdiğini" söyledi.

Süpergenlerin Gücü

Sosyal parazit fenotipini veren 13. kromozomdaki süpergenin evrimsel tarihi hakkında çok az şey biliniyor. Ancak akıncı karıncalar gibi klonal bir türde evrimleşmiş olması pek olası değildir. "Klonal karıncalar, süper genleri aramak için son yer olurdu" dedi. Michel Chapuisatİsviçre'deki Lozan Üniversitesi'nde karınca süpergenleri üzerine çalışan Dr.

Bunun nedeni, bir klonal türdeki tüm karıncaların genetik olarak aynı olmasıdır: Rastgele mutasyonlar bir yana, genomları ebeveynden çocuğa değişmeden geçer. Bununla birlikte, eşeyli olarak üreyen türlerde daha karmaşık bir şey olur.

Yumurta ve sperm üreten hücrelerde, kromozomların anne ve baba kopyaları sıralanır ve karşılık gelen DNA segmentlerini değiştirir. Bu "yeniden birleştirme" süreci, kalıtsal özellik kümelerinin rastgele yeniden karıştırılmasına izin verir; onsuz, genler sonsuza dek anne veya baba soylarına kilitlenirdi.

Rekombinasyon nedeniyle, çeşitli parazitik davranışlara yönelik genler, 13. kromozomda rastgele bir araya getirilmiş olabilir. O zaman doğal seçilim, birlikte iyi çalışan bu alellerin birleşmesini güçlü bir şekilde desteklemiş olur. Trible, "Parazit belirleyen bir geniniz varsa, [karıncayı] parazit olma konusunda daha iyi ve daha iyi hale getiren bir dizi başka geni yavaş yavaş yanına koyabilirsiniz." Dedi.

Rekombinasyon, sonunda bu genleri tekrar ayırmış olabilir, ancak araya önemli bir genetik kaza girdi. Bazen kromozomlar hasardan sonra onarılırken, bir DNA parçası ters yönde yeniden eklenir. Tersine çevrilmiş DNA, kromozomal muadili ile aynı hizaya gelemediği için yeniden birleştirilemez, bu nedenle DNA'daki herhangi bir gen, yeni bir kalıtsal birim - bir süpergen - olarak kalıcı olarak birbirine kilitlenir.

13. kromozomda olan şey bu olabilir: DNA'nın 2.25 milyon baz çiftindeki bir tersine çevirme, sosyal asalaklığın özelliklerini bir süpergen olarak birbirine kilitlemiş olabilir ve bu doğal seçilim daha sonra devam ettirir. Purcell, pek çok araştırmanın bunun gibi bir süpergenin ortaya çıkmış olabileceği diğer yolları çevrelediğini, ancak "birlikte iyi çalışan alellerin düşük rekombinasyona sahip bir bölgede bir araya getirilmesinin çok güçlü bir yararı olduğunu" belirtti.

Chapuisat, gözlemlenen tüm asalak özelliklerin üst geninin, klonal akıncı karıncaların cinsel bir atasında uzun bir süre boyunca evrimleşmiş olabileceğini düşünüyor. Asalaklık, süpergenin iki kopyasını taşıyan karıncalarda kendini gösterecekti ve bir kopyası olan ya da hiç olmayan karıncalar, onlara ev sahipliği yapacaktı. Baskıncı karıncalar, süpergenin yalnızca bir kopyasıyla klonal ve heterozigot hale geldiklerinde, parazitik davranış ortadan kalktı - ancak süpergen varlığını sürdürdü. Ve bir mutasyon sonunda yeni homozigot klonal akıncılar yarattığında, uyuyan süpergen özellikleri yeniden etkinleştirildi ve minyatür kraliçe benzeri mutantlar bir gecede ortaya çıktı.

Kromozom Yeniden Düzenlenmesi ve Evrimi

Bu karınca üst geni, izole bir örnek olmaktan çok uzaktır; eğer bir şey varsa, birçok karmaşık özelliğin evrimleştiği daha genel ve hala yeterince takdir edilmeyen bir yolu gösterebilir.

"Genom yeniden düzenlemelerinin türlerin davranışları ve sosyal organizasyonları üzerinde temel bir etkiye sahip olabileceğini gösteren daha fazla çalışma var" dedi. Hıristiyan RabelingAlmanya, Stuttgart'taki Hohenheim Üniversitesi'nde sosyal asalaklığın karıncalarda nasıl geliştiğini inceleyen bir böcek bilimci.

30 milyon yıllık, eşeyli üreyen cins formika örneğin karıncalar, kolonilerinin bir mi yoksa daha fazla mı kraliçeye sahip olacağını belirleyen ortak bir üst genin bulunduğu en az dört soy vardır. Purcell, diğer karınca gruplarının, yaşam tarzları için önemli olan davranışsal ve morfolojik özelliklerin takımlarını kontrol ederek bağımsız olarak geliştirdikleri süpergenlere sahip olduğunu söyledi.

Tüm bu süper genler, Trible ve diğer araştırmacıların artık "sosyal kromozomlar" olarak adlandırdıkları şey olabilir. İnsanlardaki X ve Y cinsiyet kromozomlarının cinsiyeti belirlemesi gibi, karıncalardaki süpergenler de kolonilerin sosyal organizasyonunu belirler. Trible için bir glib karşılaştırması değil. Süpergenler ve cinsiyet kromozomlarının her ikisi de, daha sonra her zaman birlikte kalıtılan ve toplu olarak özellik kümeleri veren genleri bir araya getirir. Cinsiyete bağlı bazı özelliklerin hem erkekler hem de dişiler için avantajlı olduğu, ancak her ikisi için olmadığı gibi, parazitik süpergenler homozigot sorgulayıcılar için avantajlı olabilir, ancak heterozigot konakçılar için avantajlı olmayabilir.

Trible, "Nedense, popülasyon genetikçileri cinsiyet kromozomlarını ayrı bir evrim biçimi gibi bir kenara koydular" dedi. Sosyal kromozomların ne kadar yaygın olduğu hâlâ belirsiz olsa da, "[onların] bize söylediği şey, süpergenlerin her yerde olduğu ve cinsiyet kromozomlarının bir süpergenin özel bir durumu olduğu."

Klonal akıncı karıncaların süpergeninde hangi kesin genlerin ve kontrol elemanlarının toplandığı hala bilinmiyor. Ancak bu üst geni ve farklı karınca türlerindeki diğerlerini incelemek, karınca kolonilerindeki kastların evrimi ve gelişimi hakkında bir şeyler ortaya çıkarabilir. Bir karınca larvası gelişirken, çevresel ipuçları onun kraliçe mi yoksa işçi mi olacağını belirler; larvanın davranışını, vücut büyüklüğünü, kanatlarının ve yumurtalıklarının gelişimini ve yumurtlama yeteneğini belirleyen bir karardır. Bu özellikler o kadar güçlü bir şekilde ilişkilidir ki, araştırmacılar deneysel olarak bir tanesini değiştirmenin genellikle diğerlerini de kendisiyle birlikte çektiğini bulmuşlardır. Trible ve Kronauer, asalak süpergenin vücut büyüklüğü ile kraliçeyle ilişkili diğer özellikler arasındaki ilişkiyi nasıl değiştirdiğini öğrenerek, araştırmacıların normal kast gelişimi için genetik mekanizmaları ortaya çıkarabileceklerini düşünüyor.

Türleşme, Evrim ve Parazitizm

Trible ve Kronauer'in çalışması, bir süpergen mutasyonunun türleşmeyle nasıl bir ilişkisi olduğu da dahil olmak üzere, evrim ve gelişme hakkında başka soruları da gündeme getiriyor. İçinde formika karıncalar, tek kraliçeli ve çok kraliçeli koloniler bağımsız soylara ayrılıyor gibi görünmüyor. Süpergenin her iki biçimi de tek bir tür içinde bir "polimorfizm" olarak rahatlıkla korunuyor gibi görünmektedir.

Chapuisat için soru, kraliçe benzeri mutantların klonal akıncı karınca türleri içinde bir parazit gibi davranan bir "hileci soy" olup olmadığıdır. "Yoksa ayrı bir tür olma yolunda mı?" O sordu.

Purcell, parazitik fenotip ortaya çıktıktan sonra tam olarak bir türleşme olayının nasıl meydana gelebileceğinin bir muamma olduğunu, ancak bu tür bir süpergen mutasyonunun, sosyal parazitizm yoluyla hızlı türleşme için makul bir mekanizma sağladığını söyledi. Bununla birlikte, hem o hem de Chapuisat, tüm bu soruların ve spekülasyonların, bu karıncalar gibi klonal bir organizmada bir türün ne olduğunu tanımlamanın kayganlığı nedeniyle karmaşık olduğu konusunda uyardılar.

Rabeling, bir süpergen mutasyonunun aslında sosyal parazit türlerinin evrimleştiği mekanizma olduğunu göstermek için, süpergenlerin yapısal ayırt edici özellikleri olan kromozomlardaki inversiyonların birçok konakçı-parazit çiftinde mevcut olup olmadığını görmenin önemli olacağını öne sürüyor. Düzinelerce diğer sorgulayan karınca türü benzer süpergen mutasyonlarına sahip mi?

Rabeling, hibritleşme gibi, bu özellikler kümesiyle süpergeni de yaratabilecek başka mekanizmalar olabileceğine inanıyor. "Sosyal asalaklığın nasıl geliştiğine dair tek bir mekanizma olmasını beklemiyordum, ama muhtemelen birçok farklı mekanizma var" dedi. "Ve ne kadar çok ampirik sistem incelersek, muhtemelen sosyal asalaklığın kökeni için o kadar fazla mekanizma buluruz."