Neobvyklé cesty evoluce

Rychlost a tvar spermií je jedním z důležitých předpokladů úspěšného rozmnožení. Jedinec vybavený rychlými pohlavními buňkami má větší šanci uspět při rozmnožování a tato výhoda by se měla projevit v populaci převládnutím takto vybavených jedinců. Podle nových poznatků je však situace složitější a evoluce čas od času vytváří struktury, které tomuto pravidlu nepodléhají.

Zebřička pestrá (Taeniopygia guttata) je oblíbený chovný pták známý svým celoživotním partnerským životem. Největší evropská chovná stanice, zaměřená na dlouhodobý výzkum těchto zajímavých ptáků, se nachází v jihoněmeckém Seewiesen na Max Planck Institute for Ornithology. Již před časem zde bylo zjištěno, že některé páry mají problém s reprodukcí. Samice snáší vejce, ale velká část jich je neoplozená. Problém byl tedy zjevně na straně samců a vědci se (správně) domnívali, že spočívá v kvalitě jejich spermií.

Nízká plodnost znamená pochopitelně méně potomků a počet takto postižených samců by se měl podle evoluční logiky snižovat. Kromě toho je známo, že zebřičky sice žijí v páru, nejsou ovšem přísně vzato monogamní. Samičky se občas páří i s atraktivními samci mimo svůj pár. I tento fakt by měl přispívat k tomu, že potomků málo plodných jedinců bude ubývat a spolu s nimi postupně vymizí i snížená plodnost. Ve sledované populaci se však situace neměnila.

Před nedávnem se němečtí vědci rozhodli uvedený jev důkladně prozkoumat. Spojili přitom síly s týmem vědců z Přírodovědecké fakulty UK a Akademie věd ČR pod vedením docenta Tomáše Albrechta. Podrobné zkoumání přineslo překvapivé výsledky: chromozom Z, zodpovědný za určení pohlaví, má v případě tohoto druhu jednu zvláštní vlastnost: inverzi, tj. otočení, a zlom jedné části chromozomu Z.

Samci ptáků mají jeden chromozom Z od otce a jeden od matky. Pokud se inverze vyskytuje na obou z nich – jedinec je tzv. homozygot – je následkem snížená plodnost až neplodnost. Podobně je tomu v případě, že inverze není přítomná vůbec. Jednoduše shrnuto: samci homozygoti (s inverzí nebo bez) mají jen malou šanci na rozmnožení.

Příčinu neplodnosti se tedy podařilo odhalit, spolu s tím však vyplulo na povrch další zajímavé zjištění. Výskyt inverze pouze na jednom chromozomu Z – tzv. heterozygotní jedinci – totiž způsobuje vznik tzv. supergenu. Inverze je vlastně mutace, která u zebřiček vznikla před více než 2,5 milionem let a zapříčinila kumulaci výhodných forem genů, díky nimž mají spermie jedinečné vlastnosti. Jedinci se supergenem mají rychlejší spermie s delší mitochondrií a jsou tím pádem i „superplodní“. V populaci zebřiček se tedy vyskytují samečci se sníženou schopností reprodukce a potom samečci mimořádně plodní.

Podle předpokladů by za běžných okolností neměla tato situace nastat, protože vlastnost zajišťující úspěšné množení by se měla rychle rozšířit. Jak je tedy možné, že k tomu dosud mezi zebřičkami nedošlo?

Do cesty logicky nutnému převládnutí uvedeného znaku v populaci se postavila logika mendelovské genetiky. Ta nás učí, že struktura potomstva heterozygota vždy obsahuje velké množství homozygotů (50%!). Heterozygoti tak svou snahou o co největší rozšíření neustále vytvářejí jedince, kterým skvělá výhoda, jakou by se mohl zdát supergen, chybí. Zajímavé ovšem je, že pokud se homozygotům podaří se úspěšně rozmnožit, může jejich potomstvo obsahovat i heterozygoty, jejichž plodnost je znovu super..

Zatímco česko-německý tým se zabýval především vlivem inverze na kvalitu spermií a plodnost samců, jiná skupina vědců z laboratoře Jona Slate z University of Sheffield nezávisle potvrdila popsané skutečnosti, a to zcela odlišným přístupem. V Sheffieldu nevěděli o inverzi chromozomu Z, ale zkoumali vyšlechtěné linie zebřiček, které byly nositeli buď krátkých a pomalých, nebo dlouhých a rychlých spermií. Při celogenomové analýze následně odhalili, že linie se liší právě v inverzi chromozomu Z.

Závěry studie jsou jedinečné v několika směrech – odhalily zásadní roli chromozomu Z při ovlivnění plodnosti samců ptáků a identifikovaly znaky spermií (rychlost a délka mitochondrie), které s plodností souvisí. Detailní studium inverze může v budoucnu vést k identifikaci konkrétních genů (mutací), které souvisí se samčí (ne)plodností. Existence supergenů byla předpovězena A. Ernstem již ve 30 letech, ale empirické důkazy byly dosud vzácné.

Studie ale především popisuje mechanizmus zvaný overdominance, který vede k tomu, že samci se „superspermiemi“ nemohou v populaci převážit. Příbuzný jev byl zaznamenán u lidí žijících v malarických oblastech, kteří trpí tzv. srpkovitou anemií. Jedná se o onemocnění, které člověka chrání před malárií, zároveň však výrazně omezuje věk jedince (zhruba na 50 let). Díky mechanizmu overdominance v populaci nikdy nepřeváží, ani z ní nevymizí.

Link na článek: https://www.nature.com/articles/s41559-017-0236-1

Press release Max Planck: http://www.orn.mpg.de/3869077/news_publication_11400323?c=2732

Link komentář (editorial): https://www.nature.com/articles/s41559-017-0261-0