Parasitäre Würmer geben neue Einblicke in die Evolution von Geschlecht und Geschlechtschromosomen

Die Forschungsgruppe von Qi Zhou von der Universität Wien und der Zhejiang University untersucht zwei sehr unterschiedliche Wurmstämme, die zahlreiche Parasiten enthalten, die Krankheiten bei Mensch und Tier verursachen, und gibt Aufschluss darüber, wie sich die sexuelle Fortpflanzung und die daraus resultierende große Vielfalt an Geschlechtschromosomen entwickelt haben könnten.

Tiere oder Pflanzen mit getrennten Geschlechtern sind in der Natur weit verbreitet und resultieren aus unabhängigen Übergängen von ihren hermaphroditischen Vorfahren. Der eigentliche Mechanismus, der an den Übergängen zwischen asexuellen und sexuellen Fortpflanzungsmodi beteiligt ist, mit anderen Worten, wie Sex entsteht, bleibt eine wichtige und unbeantwortete Frage. Abgesehen von Insekten sind etwa ein Drittel der Tierarten wie Regenwürmer, Schnecken und einige Knochenfische zwittrig. Ein Vergleich mit ihren Verwandten, die getrennte Geschlechter entwickelt haben, könnte zeigen, wie dieses besondere Merkmal bei Tieren entstanden ist und sich entwickelt hat.

Ein neues Papier rein Naturkommunikationherausgegeben von Qi Zhou vom Institut für Neurowissenschaften und Entwicklungsbiologie der Universität Wien und der Zhejiang-Universität in China, liefert Hinweise darauf, wie getrennte Geschlechter entstanden sind, und charakterisiert, wie sich Geschlechtschromosomen in Plattwürmern oder Spulwürmern entwickelt haben.

Zwei Wurmstämme geben Hinweise darauf, wie sich Geschlechtschromosomen entwickelt haben könnten

Obwohl beide Phyla „Würmer“ genannt werden, sind sie aus evolutionärer Sicht sehr unterschiedlich. Beiden Stämmen ist gemeinsam, dass zahlreiche Vertreter wie Bandwurm und Schistosomen (allgemein bekannt als Blutegel) Parasiten für Menschen oder Nutztiere sind und schwere Symptome und Komplikationen verursachen können. Die Identifizierung und Untersuchung ihrer geschlechtsbezogenen Gene kann die Grundlage für eine zukünftige Unterbrechung ihres Fortpflanzungszyklus für eine wirksame Parasitenbekämpfung bilden.

Die Forschungsgruppe sammelte bereits veröffentlichte Genom- und Transkriptomdaten von 41 Nematodenarten und 13 Plattwurmarten, von denen letztere mit Ausnahme von Schistosomen (Blutegel) hauptsächlich hermaphroditische Arten umfassen. Unter diesen identifizierten sie die Zusammensetzung der Geschlechtschromosomen von 17 Nematodenarten in Form von „Nigon-Elementen“. Dies sind angestammte Chromosomeneinheiten, die allen Nematoden gemeinsam sind und nach dem Nematodenbiologen Victor Nigon benannt sind (parallel zu „Muller-Elementen“ der Fruchtfliege, einer anderen genetischen Modellart). Mit diesem Vergleich zeigten die Autoren, dass die große Vielfalt der Geschlechtschromosomen von Nematoden auf unterschiedliche Kombinationen von Nigon-Elementen zurückzuführen ist. Durch wiederholtes Hinzufügen verschiedener Nigon-Elemente – die zuvor Nicht-Geschlechtschromosomen gewesen waren – auf die Geschlechtschromosomen der Vorfahren erweiterten verschiedene Nematodenarten ihre geschlechtsgebundenen Regionen, was später die Rekombination während der Evolution unterdrückte.

Blutegel – vom Zwitter bis zum getrennten Geschlecht

Eine weitere wichtige Erkenntnis ergibt sich aus dem Vergleich der sich sexuell fortpflanzenden Blutegel mit verwandten hermaphroditischen Arten. Der Übergang in den Zustand der getrennten Geschlechter beim Parasiten erfolgte erst vor relativ kurzer Zeit, vor etwa 70 Millionen Jahren. Die Autoren zeigten, dass während dieses Übergangs die Keimdrüsen-Gene von Schistosomen weniger „feminisiert“ wurden. Mit anderen Worten, sie zeigten im Vergleich zu ihrem Gegenstück in den hermaphroditisch verwandten Arten insgesamt ein niedrigeres Ovarialexpressionsniveau. Sie identifizierten auch ein Kandidatengen, mag-1, dessen Störung in Schistosomen zu vergrößerten Hoden führt. Mutationen in diesem Gen könnten eine entscheidende Rolle für den Übergang in die getrennten Geschlechter von Schistosomen gespielt haben.