Evoluční význam pohlavního rozmnožování je zejména u mnohobuněčných vyšších eukaryotických organizmů těžko zpochybnitelný. Navíc jde o mechanizmus, který evoluci zpětně ovlivňuje a tak se uzavírá jakýsi kruh závislosti. Všeobecně platí, že čím vývojově je živočich výš, tím nebezpečnější je pro něj narušení genetické variability v populaci a tím závažnější mohou být následky příbuzenského páření. Jenže jak to všechno začalo? Jak z jednoduchého organizmu, který se rozmnožoval pouhým dělením, vznikl druh, jehož jedinci tvoří rozdílné pohlavní buňky a ty umožňují vznik nové generace jenom když spolu splynou?

Rekonstrukce dlouhodobých a zejména dávno minulých dějů není jednoduchá. Příroda ale tvoří jen z toho, co má a přetvářet může jenom to, co se již předtím vyvinulo. Týká se to i genetického kódu, který je proměnlivý i konzervativní zároveň a jeho výzkum umožňuje sledovat stezky, po nichž evoluce kráčela.

 

Na jednu z nejzajímavějších otázek biologie - jak se vyvinulo různé pohlaví – si posvítil i americko-japonský tým pod vedením vědců ze Salkova ústavu pro biologická studia (Salk Institute for Biological Studies) v kalifornském San Diegu. Výsledky výzkumu publikoval v nejnovějším vydání (16. 4.) časopisu Science.

 

Počátky převratné evoluční inovace, jakou pohlavní rozmnožování bezpochyby je, se vědci rozhodli zkoumat na vývojové úrovni, na které pravděpodobně vznikala – na hranici mezi jednobuněčnými a mnohobuněčnými eukaryotickými organizmy. Porovnali genom dvou řas – běžné řasy Chlamydomonas reinhardtii (česky pláštěnka nebo koulenka) a její blízkého příbuzného váleče Volvox carteri.

Bičíkaté buňky pláštěnky žijí ve vodě nebo i vlhké půdě nezávisle, případně v malých neuspořádaných koloniích. Mají jenom jednu sadu sedmnácti krátkých chromozómů a běžně se rozmnožují pouhým dělením. V čase nepohody ale vytvoří pohlavní buňky (gamety), které jsou sice dvou typů, ale vypadají zcela stejně. Ani se neoznačují jako samičí a samčí, ale znaménky + a -. Splynutím (a tato fáze umožňuje kombinaci genů mezi dvěma jedinci) vytvoří zygotu - buňku, která má dvě sady chromozómů. U pláštěnky je tato forma „spící“, zygota přežije nepříznivé období, aby je pak lepší podmínky probudily k dělení do běžné podoby – na bičíkaté buňky s jednou sadou chromozómů (haploidní).

 

Na druhé straně všechny druhy zelených řas rodu válečů (Volvox) ze stejného řádu Volvocales, kam patří i předešlá pláštěnka (Chlamydomonas) jsou sice také jednobuněčné řasy, ale tvoří již uspořádané a částečně strukturované kulovité kolonie, čímž představují jakýsi mezistupeň vývoje k mnohobuněčným organizmům. Na Oslu je jim věnován článek Kolónie zelených rias s rodokmeňom dlhým 200 miliónov rokov.

Cenobie – želatině podobné koule z glykoproteinů, ve kterých se nacházejí tisíce buněk řas s bičíky směrovanými ven, se běžně dají objevit v stojatých čistších, prosvětlených vodách. Kolonie se množí nepohlavně, dělením, přičemž uvnitř koule se tvoří malé dceřiné cenobie, které uvolní tím, že se rozpadne. Ale váleči tvoří i pohlavní gamety, jež se již dají označit za samčí a samičí. Navzájem se totiž výrazně liší. Vznikají ze dvou druhů specializovaných zárodečných buněk – gonidií. Jeden typ se dělí ve spermie a ten druhý se bez dělení přetransformuje ve vajíčko. U druhů válečů, kde oba typy gonidií jsou v jedné kolonii, se zabrání samooplození tím, že samčí a samičí gamety vznikají v různém čase a z cenobie jsou vypuzovány do vnějšího prostředí, takže nemají možnost se navzájem potkat. Druh Volvox carteri se ale chová jako dvoudomá rostlina a tvoří kolonie jenom se samičími, nebo se samčími gonidiemi.

 

Obrázek vlevo: Nepohlavní rozmnožování váleče Volvox carteri - uvnitř kolonie vznikají z pohlavních buněk (gonidií) dceřiné kolonie dělením. Snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu odhalují jednotlivá stádia. Menší buňky jsou somatické, větší jsou pohlavní (gonidie). Na konci dělení se celá struktura převrátí naruby, čímž se velké gonidie, které jsou na posledním obrázku nejvíce vystouplé, dostanou dovnitř a menší somatické buňky budou tvořit povrchovou vrstvu. Jejich bičíky, které na snímcích nejsou vidět, protože směrují dovnitř dělící se koule, sa tak dostanou na povrch a umožní pohyb celé kolonie. Kredit: Landes Bioscience

Jak se tento odlišný způsob pohlavního rozmnožování u příbuzných čeledí zelených řas odráží v jejich genomu a naopak, jaké změny genetického kódu vedly k těmto rozdílům? Na to poskytuje odpověď místo na konkrétním chromozómu, kde sídlí za to odpovědné geny. Vědci tento specifický úsek genomu nazývají mating locus – úsek spojený s rozmnožováním. U pláštěnky Chlamydomonas reinhardtii se skládá z 200 až 300 tisíc písmen DNA (nukleových bází), ale u váleče Volvox carteri je až pětinásobně větší. Když uvážíme, že mezi celým genomem obou druhů je jenom 17% rozdíl, je zjevné, že si na tomto genetickém úseku evoluce vyhrála. Váleč má tedy proti pláštěnce mnohem více genů zajišťujících sofistikovanější pohlavní rozmnožování. Odkud se ale vzaly?

Ve snaze najít odpověď se vědci podívali blíže na celý genom řasy Chlamydomonas a zde našli protějšky mnohých nových pohlavních genů váleče. Ne přímo v úseku s „rozmnožovacími“ geny pláštěnky, ale mimo něj, v jeho okolí. To znamená, že si váleči svojí oblast genomu, která ukrývá program pro tvorbu potomků, o tyto geny rozšířili. A tedy tyto geny nejsou v pravém smyslu slova nové, jenom začaly plnit nové funkce v pohlavním reprodukčním procesu i když s ním původně nesouvisely.

Vědecký tým se teď snaží prostudovat konkrétní role, jaké jednotlivé „nové“ geny hrají při určení pohlaví a ve vývoji sexuální rozdílnosti – dimorfizmu. Již se mu podařilo identifikovat gen MAT3, kterému evoluce u válečů přidělila novou povinnost při pohlavní diferenciaci. Je příbuzný lidskému genu, jenž brání nekontrolovatelnému dělení buněk sítnice oka (supresorový gen). Jeho nefunkčnost zděděná, nebo zaviněná mutací vede k vzniku jednoho z nejčastěji se vyskytujících nádorů oka – k retinoblastomu. Výsledky výzkumu naznačují, že u válečů gen MAT3 spolupracuje nejenom při kontrole buněčného dělení, jak má zapsáno v původní pracovní smlouvě u rostlin a živočichů, ale mutace mu přisoudily i místo v tribunálu genů, jenž rozhoduje, jaké pohlaví bude mít vyvíjející se jedinec.

"Tato práce dokazuje, jak jsou váleči a jim příbuzné řasy důležitým modelem pro studium vývoje pohlaví," tvrdí vedoucí výzkumného týmu James Umen z Laboratoře pro biologii rostlinných molekul Salkova ústavu v kalifornské La Jolle. "Poskytuje systém pro sledování průběhu evoluce, pro hledání odpovědí na otázky o původu pohlaví a dalších znaků, které je obtížné hledat u vyšších rostlin a živočichů… Až dosud byly chromozómy určující pohlaví všeobecně vnímány jako oblasti v genomu, jež se (v průběhu evoluce) spíše zmenšují, přičemž ztrácejí geny, které nejsou do pohlavního rozmnožování zapojeny. Naše studie ale dokazuje opak – že se tyto oblasti mohou rozšiřovat o nový genetický materiál mnohem rychleji než zbytek genomu."

Video - nepohlavní vznik dceřiné kolonie dělením gonidie. Na konci dělení se koule nových buněk přetočí naruby. Když mateřská cenobie vytvoří uvnitř několik nových kolonií, rozpadne se:

Zdroje: Salk Institute , Science