Na evoluci se často díváme jako na geniálního designéra, který svými pokusy vždy směřuje k výsledku, jímž je ideální model. Studie týmu vědců z Německa z Max Planck Institutu v Seewiesenu a z České republiky z Ústavu biologie obratlovců AV ČR a Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy nicméně ukazuje, že tomu tak nemusí být vždy – a že se i tento génius může lehce ocitnout ve slepé uličce, ze které není úniku.
Proč světu nevládnou samci se superspermiemi? Čeští vědci na to přišli
Proč nemohou mít některé páry potomky? Je vina na straně otců či matek? Tyto otázky se řeší nejen v rámci reprodukční medicíny člověka. Zebřička pestrá je notoricky známý a běžně chovaný pěvec, kde samci a samice vytváří celoživotní partnerství za účelem rozmnožování. Vědci v největším evropském chovném zařízení zebřiček v jihoněmeckém Seewiesen ale zjistili, že některé páry mají velké problémy s reprodukcí. Samice sice snáší vejce, ale velká část jich je neoplozená. Vina tedy bude možná na straně samců, v nedostatečnosti jejich spermií, ptali se vědci.
Samice zebřičky pestré
Co znamená být úspěšným samcem
Úspěch v rozmnožování u samců závisí na schopnosti spermií oplodnit vajíčka, což by mělo vést k silnému tlaku na kvalitu spermií. Jednodušeji řečeno, evoluce by měla postupně spermie zdokonalovat a směřovat k jejich optimální verzi. Neplodní jedinci by tedy měli z populace postupně vymizet. Proč tomu tak není u zebřičky a neplodní samci se stále objevují?
- Jako inverze se označuje mutace v molekule DNA. Konkrétně jde o převrácení posloupnosti několika bází.
Německý tým zahájil spolupráci na výzkumu spermií zebříček s českými odborníky pod vedením doc. Tomáše Albrechta. A výsledky byly překvapivé. Zjistili, že rychlost a morfologie spermií, a s ní související plodnost samců, silně závisí na specifickém zlomu a inverzi jednoho z pohlavních chromozomů, který je nazvaný Z. To by nebyl až tak zajímavý výsledek, pokud by zároveň nezjistili, že vedle samců, kteří mají v důsledku inverze jakési superspermie, díky této inverzi zároveň vznikají samci, kteří nemají daleko k neplodnosti, či jsou přímo neplodní.
Samci ptáků vždy nosí dvě kopie chromozomu Z (jednu od otce a jednu od matky). V populaci zebřiček se vyskytují tři typy samců – ti kteří mají inverzi na obou svých Z chromozomech či mají naopak oba Z chromozomy bez inverze (obě skupiny lze tudíž nazvat homozygoty), anebo ji mají pouze na jednom z nich (tzv. heterozygoti). Vědci zjistili, že heterozygoti, kteří mají jeden Z normální a druhý s inverzí, mají také vysoce kvalitní spermie („superspermie“), které se strukturálně liší od spermií jiných samců a jsou rychlejší. Samci se superspermiemi také nemají problém s neplodností. Naopak oba typy homozygotních samců mají spermie méně kvalitní a rovněž dosahují nižšího reprodukčního úspěchu. Kupodivu, ani v důsledku silného tlaku, kdy úspěšně oplodní vajíčko jen ta nejrychlejší spermie, se geneticky nekorektní typy nemohou vytratit, a naopak samci se superspermiemi nemohou převážit. Je to proto, že pro ideální morfologii spermie je zapotřebí kombinace obou forem Z chromozomu (tedy heterozygotních samců), což není možné bez produkce méně optimálních typů (tedy homozygotů). A heterozygotní samci vždy produkují 50 % homozygotních synů… Samci s nekvalitními spermiemi se tak v populaci nadále vyskytují.
Vědecká spolupráce v reálném čase
Zatímco česko-německý tým se zabýval především vlivem inverze na kvalitu spermií a plodnost samců, další skupina vědců z laboratoře Jona Slatea z University of Sheffield podpořila jejich výsledky nezávisle zcela odlišným přístupem. Tito vědci nevěděli o inverzi Z chromozomu, 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. Obě skupiny se domluvily na paralelní publikaci svých vzájemně se pěkně doplňujících výsledků.
Závěry studie jsou jedinečné v několika směrech – odhalily zásadní roli chromozomu Z při ovlivnění plodnosti samců ptáků. Inverze funguje jako tzv. supergen a její detailní studium může v budoucnu vést k identifikaci konkrétních genů (mutací), které souvisí se samčí (ne)plodností. Studie ale především naznačuje mechanizmus (overdominance), který vede k tomu, že samci se „superspermiemi“ nemohou v populaci převážit a samci s nedostatečnými spermiemi nevymizí.