Rapid protamine evolution suppresses meiotic drive in Drosophila

Resumen Técnico: La rápida evolución de la protamina suprime el impulso meiótico en Drosophila

Planteamiento del problema
Las protaminas son proteínas esenciales para la compactación del ADN en los espermatozoides que reemplazan a las histonas durante la espermatogénesis. A pesar de su papel crítico en la fertilidad masculina, los genes de la protamina se encuentran entre los genes codificantes de proteínas que evolucionan más rápidamente en los animales. Diversas hipótesis predominantes sugieren que esta rápida evolución es impulsada por la competencia espermática o la necesidad de optimizar la morfología de la cabeza del espermatozoide; sin embargo, no existe evidencia experimental directa que respalde estas afirmaciones. Además, la intensidad de la competencia espermática suele correlacionarsese pobremente con las tasas de evolución de las protaminas. Una hipótesis alternativa, derivada de análisis filogenómicos, postula que la rápida evolución de la protamina es impulsada por la necesidad de suprimir el impulso meiótico de los cromosomas sexuales (elementos genéticos egoístas que sesgan la transmisión en detrimento de la fertilidad del huésped). No obstante, este mecanismo no había sido verificado experimentalmente.

Metodología
Los autores utilizaron estrategias de reemplazo génico in vivo en Drosophila melanogaster y D. yakuba para probar las consecuencias funcionales de la divergencia de la protamina.

• Eliminación y reemplazo de genes: Utilizando CRISPR/Cas9, los autores generaron una eliminación completa del gen de la protamina autosómica Mst77F en D. melanogaster, reemplazando la secuencia codificante con un sitio attP. Posteriormente, reintrodujeron la secuencia silvestre de Mst77F (Mst77F-mel) u ortólogos de cinco especies divergentes de Drosophila (D. simulans, D. yakuba, D. eugracilis, D. takahashii, D. ananassae) en este locus.
• Manipulación de la dosis: El estudio examinó tanto el estado homocigoto (dos copias) como el hemizigoto (una copia) de estos transgenes para evaluar la sensibilidad a la dosis.
• Ensayos fenotípicos:
  • Fertilidad: Se registraron los recuentos de la progenie para evaluar la fertilidad masculina.
  • Distorsión de la relación de sexos: Se analizó la proporción de sexos en la progenie adulta para detectar el impulso meiótico.
  • Citología: La hibridación in situ fluorescente (FISH) utilizando sondas para el cromosoma Y (AATAC) y el autosoma (Prod-sat) distinguió entre espermatozoides portadores de X e Y. La inmunotinción con un anticuerpo contra el ADN de doble cadena (α-dsDNA) identificó defectos en la condensación de la cromatina.
  • Proteínas quiméricas: Se construyeron genes quiméricos de Mst77F entre D. melanogaster y D. yakuba para mapear los dominios funcionales.
  • Cromosomas de ingeniería: Para distinguir entre los modelos de "toxina-antídoto" y "objetivo-asesino" (killer-target), los autores utilizaron machos con un cromosoma X-Y unido (X^Y) y hembras con un X unido (X^X).
  • Validación entre especies: Se generó un knockout de Mst77F en D. yakuba para determinar si los fenotipos observados se conservan.

Resultos clave

1. Compatibilidad de la fertilidad y los ortólogos: La pérdida completa de Mst77F en D. melanogaster causa esterilidad masculina. El reemplazo de Mst77F-mel por ortólogos de especies estrechamente relacionadas rescató parcialmente la fertilidad, pero solo cuando estaban presentes dos copias. Los machos hemizigotos que portaban ortólogos heteroespecíficos exhibieron defectos graves de fertilidad, lo que indica haploinsuficiencia. El ortólogo más divergente (D. ananassasse) no logró rescatar la fertilidad en absoluto.
2. Distorsión de la relación de sexos: Mientras que los machos silvestres de Mst7F-mel produjeron una relación de sexos de 1:1, los machos que portaban ortólogos heteroespecíficos o con una dosis reducida de Mst7F-mel produjeron una progenie significativamente sesgada hacia los machos (hasta un ~70% de machos). Esta distorsión se exacerbó al reducir la dosis del gen.
3. Mecanismo de la distorsión: El análisis de FISH reveló una sobrerepresentación significativa de espermatozoides portadores de Y y un déficit correspondiente de espermatozoides portadores de X en las vesículas seminales de machos con Mst7F comprometido. La inmunotinción mostró que los espermatidios portadores de X sufrieron específicamente una condensación de ADN retrasada o defectuosa (reteniendo la tinción del anticuerpo α-dsDNA), lo que llevó a su eliminación durante la espermatogénesis.
4. Discriminación del modelo de impulso: Utilizando machos X^Y, los autores distinguieron entre dos modelos. En un modelo de "toxina-antídoto" (donde el Y se protege a sí mismo), los espermatozoides X^Y deberían sobrevivir mientras que los nulo-X mueren. En un modelo de "objetivo-asesino" (donde el X es el objetivo), los esperматоzoides X^Y morirían porque portan el objetivo ligado al X. Los resultados mostraron un fuerte exceso de machos XO (provenientes de espermatozoides nulo-X) sobre las hembras X^XY, lo que respalda el modelo de objetivo-asesino. El impulso apunta a una secuencia en cis en el cromosoma X.
5. Identificación del objetivo: Los autores probaron el satélite 1.688 (Zhr), un repetido ligado al X conocido, como el objetivo. La deleción de Zhr no alivió la distorsión, lo que indica que el objetivo es un locus ligado al X diferente y aún no identificado.
6. Conservación en D. yakuba: A diferencia de D. melanogaster, los knockouts de Mst7F en D. yakuba no son estériles, pero aun así exhiben una distorsión significativa de la relación de sexos y defectos en la condensación de los espermatozoides. Esto sugiere que, si bien la función esencial para la fertilidad puede ser específica de cada linaje, la función de suprimir el impulso meiótico está conservada.
7. Análisis de dominios: El análisis de proteínas quiméricas reveló que múltiples dominios de Mst7F contribuyen tanto a la fertilidad como a la supresión del impulso, con una fuerte anticorrelación entre la fertilidad masculina y el grado de distorsión de la relación de sexos.

Significación y afirmaciones
El artículo proporciona la primera evidencia experimental de que la rápida evolución de las protaminas es impulsada por la necesidad de suprimir el impulso meiótico de los cromosomas sexuales. Los autores demuestran que Mst7F actúa como un supresor dependiente de la dosis y de la secuencia, así como del tipo de secuencia, de un sistema de objetivo-asesino que apunta al cromosoma X. Cuando la función de Mst7F se ve comprometida (mediante la divergencia de la secuencia o la reducción de la dosis), los espermatozoides portadores de X no logran compactar su ADN adecuadamente y son eliminados, lo que conduce a una progenie sesgada hacia los machos.

El estudio concluye que la presión implacable para suprimir las interacciones competitivas entre los espermatozoides portadores de X y Y, mediadas por elementos genéticos egoístas, es una fuerza primaria que impulsa la rápida evolución de las protaminas en Drosophila y probablemente en otras especies de animales. Este trabajo redefine la comprensión de la evolución de la protamina de un modelo puramente de competencia espermática u optimización morfológica a uno centrado en mantener la estabilidad genómica y las proporciones de la herencia mendeliana frente al conflicto intragenómico.