Η αναστροφή του τρόπου μεταβίβασης του μιτοχονδριακού DNA στα δίθυρα και οι φυλογενετικές της προεκτάσεις

Abstract

Mitochondrial DNA (mtDNA) is maternally inherited in most metazoan species. In contrast, biparental transmission is the standard mode of mtDNA inheritance in several bivalve species. Female individuals inherit only the maternal genome (type F) and are homoplasmic, while males inherit, not only the maternal, but also the paternal genome (type M) and are heteroplasmic for both types. This mode of mtDNA transmission is termed Doubly Uniparental Inheritance (DUI) and it was, until recently, detected in five bivalve families (Mytilidae, Unionidae, Hyriidae, Margaritiferidae and Veneridae). In mussels of genus Mytilus, which are the best studied organisms with DUI, the two mtDNA types (F, M) differ by 20%. In natural populations of Mytilus there have been observed male individuals that do not contain the M molecule (atypical males). These males are homoplasmic for one F type, or heteroplasmic for two F types. This observation provided the basis for the “masculinization” or “role reversal” hypothesis, according to which an F genome may become paternally transmitted. The “masculinized” molecule functions as “M”. Masculinization has important implications for mechanism and evolution of DUI. However, it is not yet understood, and the observations that support its existence are fragmentary. We tested the hypothesis of masculinization in a systematic basis by studying the content of gonadal and somatic tissues extracted from atypical Mytilus galloprovincialis male mussels from populations of the Mediterranean and the Black Sea. We found that, in all atypical males, the gonad contained a genome that carried a compound control region. The 5’ and 3’ flanking domains of the control region of this genome were of type F, whereas its central domain consisted of tandemly repeated Mtype elements. This new genome was called C (Compound) and it was fully sequenced. Apart from its control region, the C genome was an F-like genome and it was considered to be “masculinized” because it was present in all atypical male gonads. The detection of the C genome provides direct evidence for the masculinization hypothesis in Mytilus galloprovincialis. It was also detected in the gonads of atypical Mytilus edulis males sampled from the eastern coast of Canada, a finding that suggests a common origin of masculinized genomes in the sibling species M. galloprovincialis and M. edulis. The population study for the C genome revealed that homoplasmic males do not exist in Mytilus galloprovincialis. This observation rejects the previous hypothesis that masculinization events may have origined from failure of the male mussel to inherit the paternal molecule and subsequent invasion of a typical F-type molecule into the male transmission route. According to the new evidence, masculinization seems to be always associated with the existence of the C genome. Masculinization can affect the phylogenetic relationships of maternal and paternal mtDNA molecules in the class of bivalvia, because it sets the divergence time between the maternal and paternal genomes to zero. Yet, evidence for the distribution of DUI in bivalvia is incomplete. For this reason, we tried to detect DUI in other genera and families. We tested some representatives of Veneridae, Arcidae and Donacidae. It was revealed that male individuals of species Donax trunculus (Bivalvia, Donacidae) were heteroplasmic for the two genetic loci tested (Cytb and lrRNA), whereas females were homoplasmic, containing only one of the two types that were found in males. This observation is a landmark of DUI and provides evidence for the existence of this system of mtDNA inheritance in a new bivalve family. After the addition of Donacidae in the list of families with DUI, we proceeded to produce a common phylogenetic analysis of F and M molecules. We analyzed three partial mtDNA genes (Cytb, COI and lrRNA) using sequence data from five families (Mytilidae, Unionidae, Hyriidae, Veneridae, Donacidae). According to the analysis, and by evaluating the potential role of masculinization in phylogeny, we discuss the two dominant hypotheses about the distribution of DUI. The first hypothesis claims that DUI has had multiple and independent origins during the evolution of bivalvia, as many, as the number of the distinct clusters that the maternal and the paternal molecules form together in phylogenetic trees. The alternative hypothesis assumes that DUI origined only once in primitive bivalves and it was subsequently retained or secondarily lost in several genera and families. Although the second hypothesis cannot by itself explain the phylogeny of the maternal and paternal molecules, we proposed that, if combined with the phenomenon of masculinization, it provides a more plausible scenario than the hypothesis of multiple origins.

Το μιτοχονδριακό DNA (mtDNA) κληρονομείται μητρικά στα περισσότερα είδη μεταζώων. Ωστόσο, σε ορισμένα δίθυρα παρατηρείται, εκτός από μητρική, και πατρική μεταβίβαση του mtDNA. Τα θηλυκά άτομα κληρονομούν μόνο το μητρικό μιτοχονδριακό γονιδίωμα (τύπος F) και είναι συνεπώς ομοπλασμικά, ενώ τα αρσενικά κληρονομούν επιπλέον και το πατρικό γονιδίωμα (τύπος Μ), με αποτέλεσμα να εμφανίζονται ετεροπλασμικά για τους δύο τύπους. Το σύστημα είναι γνωστό με τον όρο Διπλή Μονογονεϊκή Κληρονομικότητα (ΔΜΚ) και είχε μέχρι πρόσφατα εντοπιστεί σε πέντε οικογένειες δίθυρων (Mytilidae, Unionidae, Hyriidae, Margaritiferidae και Veneridae). Στα μύδια του γένους Mytilus, τα οποία αποτελούν τους καλύτερα μελετημένους οργανισμούς με ΔΜΚ, οι δύο τύποι mtDNA (F, Μ) διαφέρουν στο επίπεδο νουκλεοτιδικής αλληλουχίας κατά 20%. Σε φυσικούς πληθυσμούς Mytilus έχουν παρατηρηθεί αρσενικά άτομα που δεν φέρουν το μόριο Μ (μη-τυπικά αρσενικά), αλλά φαίνονται να είναι ομοπλασμικά για έναν τύπο F, ή ετεροπλασμικά για δύο διαφορετικούς τύπους F. Με βάση αυτήν την παρατήρηση προτάθηκε η υπόθεση της αρρενοποίησης των F γονιδιωμάτων ή της αναστροφής του τρόπου μεταβίβασης του mtDNA. Σύμφωνα με την υπόθεση, ένα μόριο F, το οποίο κληρονομείται μητρικά, είναι δυνατό να αλλάξει ρόλο και να μετατραπεί σε πατρικώς κληρονομούμενο. Το «αρρενοποιημένο» μόριο θα λειτουργεί πλέον ως «Μ» και θα αρχίσει να διαφοροποιείται ανεξάρτητα από την γενεαλογική γραμμή των F τύπων. Η «αρρενοποίηση» έχει σημαντικές προεκτάσεις που αφορούν στην διαλεύκανση των μηχανισμών της ΔΜΚ και της εξέλιξής της. Εντούτοις, δεν έχουν κατανοηθεί σημαντικές πτυχές της, ενώ ταυτόχρονα, οι παρατηρήσεις που συνηγορούν υπέρ της ύπαρξής της είναι αποσπασματικές. Ελέγξαμε συστηματικά την υπόθεση της «αρρενοποίησης» μελετώντας το περιεχόμενο των γονάδων και των σωματικών ιστών μη-τυπικών αρσενικών μυδιών Mytilus galloprovincialis από πληθυσμούς της Μεσογείου και της Μαύρης Θάλασσας. Όπως προέκυψε, όλα τα μη- τυπικά αρσενικά περιείχαν στις γονάδες τους ένα γονιδίωμα, του οποίου η περιοχή ελέγχου ήταν μεγαλύτερη σε μήκος από εκείνη των τυπικών F και Μ μορίων. Συγκεκρι<021b0μένα, ενώ το 5’ και το 3’ άκρα της περιοχής ελέγχου ήταν τύπου F, το κεντρικό της τμήμα αποτελούταν από επαναλαμβανόμενα και διαδοχικά διατεταγμένα στοιχεία τύπου Μ. Το νέο αυτό γονιδίωμα ονομάστηκε C και προσδιορίστηκε η πλήρης πρωτοδιάταξή του. Το μόριο C, εκτός της ρυθμιστικής του περιοχής, έμοιαζε σημαντικά με ήδη γνωστά F τύπου μόρια και θεωρήθηκε ότι ήταν «αρρενοποιημένο», καθώς εντοπίστηκε στις γονάδες όλων των μη-τυπικών αρσενικών, παρέχοντας άμεση απόδειξη για την υπόθεση της «αρρενοποίησης» στο M. galloprovincialis. Εντοπίστηκε, επίσης, και σε μη-τυπικά αρσενικά του είδους M. edulis από τον Καναδά, υποδεικνύοντας ότι η «αρρενοποίηση» είχε κοινή αφετηρία στα αδελφά είδη M. galloprovincialis και M. edulis. Η πληθυσμιακή μελέτη για τον εντοπισμό του μορίου C που ακολούθησε, αποκάλυψε ότι δεν υπάρχουν ομοπλασμικά αρσενικά μύδια M. galloprovincialis. Αυτή η παρατήρηση αντικρούει την υπόθεση που είχε διατυπωθεί παλαιότερα, ότι τα γεγονότα της «αρρενοποίησης» είναι πιθανό να είχαν σαν αφετηρία την αποτυχία εισόδου των πατρικών μορίων Μ σε ένα αρσενικό άτομο και την επακόλουθη αντικατάστασή τους από μητρικά μόρια τύπου F. Σύμφωνα με τα νέα δεδομένα, η «αρρενοποίηση» φαίνεται να συνδέεται πάντοτε με την παρουσία του γονιδιώματος C.