Powiązane wpisy:
Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli o intymnym życiu pszczół miodnych
Jak zostać królową, czyli do czego służy obżarstwo (u pszczół)

W moim poprzednim wpisie opowiedziałam o tym, że samce i samice pszczół znacznie się od siebie różnią pod względem genetycznym. Dla przypomnienia: samce pszczół (trutnie) posiadają pojedynczy zestaw chromosomów (fachowo mówiąc – są haploidalne), gdyż rozwijają się z niezapłodnionej komórki jajowej, zaś samice (robotnice i matki) rozwijają się z zapłodnionej komórki jajowej i wobec tego mają podwójny zestaw informacji genetycznej – pochodzący zarówno od matki jak i od ojca, i są diploidalne. Wspomniałam również, że możliwym wytłumaczeniem powstania takiego systemu rozmnażania i determinacji płci jest to, że pojedynczy zestaw informacji genetycznej u samców powoduje, że są one szczególnie wrażliwe na mutacje. Skutki mutacji upośledzających lub wyłączających funkcję danego genu upośledzają lub wręcz eliminują danego trutnia, gdyż nie mogą być maskowane obecnością drugiej (prawidłowej) kopii tego genu (tak jak ma to miejsce u samic), i w związku z tym mutacje takie nie są przekazywane przez trutnie kolejnym pokoleniom pszczół.

Diploidalne trutnie

Z powodu mojego ewidentnego „pszczołocentryzmu”, zawężonego jeszcze dodatkowo do pszczoły miodnej, Czytelnik mógłby odnieść wrażenie, że ten specyficzny sposób rozmnażania dotyczy właśnie tego gatunku. A tak nie jest – system haplodiploidalny, oparty na „pojedynczości” informacji genetycznej samców i „podwójności” samic, jest szeroko rozpowszechniony i dotyczy owadów błonkoskrzydłych (pszczoły, osy, mrówki), roztoczy, wciornastków, niektórych chrząszczy i wrotków – około 20% wszystkich gatunków zwierząt.  I właśnie obserwacja innych gatunków owadów (a konkretnie pasożytniczych os) doprowadziła do odkrycia, że mogą również powstawać, choć rzadko, samce posiadające podwójny zestaw chromosomów. W przypadku pszczoły miodnej samce takie nie przeżywają, gdyż ich larwy są zabijane przez robotnice zaraz po wykluciu. Eliminacja tych trutni przez robotnice została po raz pierwszy opisana przez Jerzego Woyke (kolejny, po wspomnianym w poprzednim wpisie Janie Dzierżoniu, polski wątek w badaniach na temat płci u pszczół). Nie do końca wiadomo, w jaki sposób robotnice poznają, że wykluta larwa jest diploidalnym trutniem – przypuszczalnie wyczuwają to węchem, choć mimo podejmowanych badań, hipoteza ta nie została do tej pory zweryfikowana.

Gen csd

Jaki jest w takim razie mechanizm determinacji płci u pszczół i w jaki sposób jest on na ogół związany z ich haplo- i diploidalnością? Nie omawiając kolejnych kroków wieloletnich badań, pozwolę sobie przejść od razu do ich wyniku. Okazało się zatem, że jest za to odpowiedzialny jeden gen – csd (ang. complementary sex determiner). W populacji pszczół występują liczne warianty genu csd. Konkretna pszczoła, jak pamiętamy, może powstać z zapłodnionej komórki jajowej, posiada zatem podwójny zestaw informacji genetycznej i w związku z tym posiada dwie kopie genu csd. Jeżeli te kopie genu csd są od siebie różne,to powstaje samica, a jeśli takie same – diploidalny truteń (ten, który zostanie zabity przez robotnice). Pszczoły powstające z niezapłodnionych komórek jajowych, posiadające pojedynczy zestaw informacji genetycznej, a zatem tylko jedną kopię genu csd, rozwijają się jako „zwykłe” trutnie (Rycina 1). A co konkretnie robi csd? Badania prowadzone od około 20 lat, których kolejna część została opublikowana dosłownie dwa tygodnie temu, pokazują, że białko kodowane przez gen csd tworzy trójskładnikowe kompleksy „samo ze sobą”. Jeżeli w kompleksie znajdują się białka różniące się między sobą (bo były kodowane przez różne warianty genu csd), to taki kompleks jest aktywny, włączając molekularną ścieżkę powstawania samicy. Jeżeli zaś w kompleksie znajdują się identyczne białka csd (kodowane przez ten sam wariant genu csd), kompleks ten jest nieaktywny, co powoduje włączenie ścieżki prowadzącej do powstania samca.

Jaka różnica robi różnicę?

Wiedząc już, że to konfiguracja wariantów genu csd (dwa różne lub dwa takie same warianty, bądź tylko jedna kopia genu csd), u konkretnej pszczoły powoduje jej rozwój w kierunku danej płci, wypadałoby się zastanowić, co to właściwie znaczy „różne warianty”. Czy jakakolwiek różnica w sekwencji pomiędzy wariantami csd będzie funkcjonalna? Sprawa ta jest przedmiotem sporu, w który również jest zaangażowana pisząca te słowa. To, co wiadomo raczej na pewno, to fakt, że istotne są tylko różnice w sekwencji końcowej części białka, tak zwanej domenie PSD. Domena ta kodowana jest fragment DNA, który często podlega mutacjom, które doprowadzają zarówno do podmiany reszt aminokwasowych w kodowanym białku, jak i również do skracania lub wydłużania tego fragmentu. To, co jest przedmiotem kontrowersji, to określenie, ile zmian w pozycjach aminokwasowych kodowanych białek powoduje, że dana para białek csd będzie tworzyć aktywny kompleks. Analizując pary wariantów csd występujące u robotnic i wiedząc, że jeżeli dana para wariantów doprowadziła do powstania robotnicy, to musi być funkcjonalna, jedna z grup badawczych wyciągnęła wniosek, że minimalna liczba różnic to pięć reszt aminokwasowych w domenie PSD. Ci sami badacze odkryli również parę wariantów csd, różniących się od siebie trzema resztami aminokwasowymi, która była tylko częściowo funkcjonalna, to znaczy na ogół prowadziła do powstania samców, ale również od czasu do czasu – samic. Wniosek „różnicę robi co najmniej pięć aminokwasów” wydaje się jednak przedwczesny, ponieważ w czasie badań autorstwa naszej grupy, przeprowadzonych na dużo większej liczbie robotnic pochodzących z różnych rodzin, udało się „upolować” parę wariantów csd różniących się jedynie jedną resztą aminokwasową, a mimo wszystko w pełni funkcjonalną, to znaczy wydajnie prowadzącą do rozwoju samic. Wobec małej liczby danych (pojedynczych przypadków par wariantów nieznacznie od siebie się różniących) nie sposób powiedzieć, co będzie tu regułą, a co wyjątkiem. Zachowując ostrożność, w tej chwili można jedynie wnioskować, że to nie liczba różnic w pozycjach aminokwasowych jest ważna, a pozycja zmiany i otaczająca ją sekwencja.

Ile jest wariantów csd i dlaczego to takie ważne?

Na tym etapie ktoś mógłby już zacząć podejrzewać, że poznawanie dokładnego mechanizmu działania csd, nie mówiąc już o sporach dotyczących „minimalnej różnicy” są klasyczną tetrapiloktomią (sztuką dzielenia włosa na czworo, patrz „Wahadło Foucaulta U. Eco). Jakie to ma znaczenie? Odpowiedź brzmi – ogromne. O ile do tej pory prowadziłam Czytelnika w głąb – od pszczelej rodziny, przez poszczególnych jej członków i ich informację genetyczną, działanie csd i w końcu jego strukturę, tak teraz, mając już tę wiedzę, chciałabym zaproponować powrót do poziomu rodziny, a nawet całej populacji pszczół.

            Przede wszystkim należy zauważyć, że powstawanie diploidalnych trutni nie jest korzystne dla rodziny pszczelej. Można uznać, że są one genetycznym „wypadkiem przy pracy”, gdyż powstają z zapłodnionych komórek jajowych, a więc miały być samicami (najprawdopodobniej robotnicami). Nieszczęśliwy zbieg okoliczności sprawił, że w jednym organizmie znalazły się dwa identyczne warianty genu csd (pochodzące od matki i od trutnia) i nie został uruchomiony molekularny szlak odpowiedzialny za powstanie samicy. Powstający diploidalny truteń jest eliminowany przez swoją rodzinę (gdyby przeżył i tak nie byłoby z niego pożytku, bo nie mógłby się rozmnażać). A to jest strata – zasobów, czasu i miejsca, które mogłyby być przeznaczone na wyprodukowanie robotnicy. A pszczela rodzina jest między innymi silna liczebnością swoich robotnic. Wyobraźmy sobie skrajny przypadek, czyli co by było, gdyby matka była zaplemniona przez tylko jednego trutnia, do tego niosącego wariant csd identyczny z jednym z jej wariantów csd (Rycina 2). Otóż aż połowa jej diploidalnego potomstwa spisana by była na straty, gdyż posiadałaby w swoim genomie dwa identyczne warianty csd.

            Jak więc pszczoły minimalizują prawdopodobieństwo powstawania diploidalnych trutni? Na dwa główne sposoby: matka leci w lot godowy daleko od własnego gniazda, aby zminimalizować prawdopodobieństwo kopulacji z własnymi braćmi, oraz kopuluje z wieloma różnymi trutniami, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo na zebranie plemników z różnymi wariantami csd. Wydaje się jednak, że kluczem do sukcesu jest utrzymanie w populacji odpowiednio dużej różnorodności wariantów csd. Im jest ich więcej, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że w jednym organizmie spotkają się dwa takie same. Ile zatem jest tych wariantów? I tu znowu są spore kontrowersje – wiele lat temu uważało się, że kilkanaście (ku mojemu ubolewaniu w dalszym ciągu nawet najnowsze publikacje w ślepo podają taką informację). Później twierdzono, że na całym świecie jest ich około 140. My z kolei pokazaliśmy, że nie sposób tego oszacować, bo warianty csd są nierównomiernie rozłożone zarówno pod względem częstotliwości, jak i miejsca występowania – innymi słowy, pobierając pszczoły do badania z różnych miejsc, jest duża szansa, że znajdzie się zupełnie inny zestaw wariantów. Do tej pory zgłoszono już kilkaset różnych sekwencji csd do publicznych baz danych, co oznacza, że gen csd jest jednym z najbardziej różnorodnych z poznanych do tej pory genów.

            Co sprawia, że wariantów csd jest tak dużo? Jest to bardzo specyficzna sekwencja DNA kodująca domenę PSD, która jest bardzo podatna na mutacje. Składa się ona z licznych powtarzających się elementów, które sprawiają, że maszyna kopiująca DNA jest bardziej podatna na popełnianie błędów, szczególnie takich, które wydłużają bądź skracają nowopowstającą nić DNA. Jeśli na skutek mutacji powstanie nowy wariant csd, to znajduje się on w uprzywilejowanej pozycji w stosunku do już istniejących w populacji wariantów, gdyż niezależnie od tego, kto mu się „trafi do pary” w powstającym diploidalnym organizmie, to zawsze taka para będzie funkcjonalna, to znaczy powstanie samica. I tak nowy wariant będzie się propagował w populacji z dużym powodzeniem, aż do momentu, kiedy stanie się tak częsty, że prawdopodobieństwo, że trafi „na samego siebie” w nowopowstającym organizmie będzie na tyle istotne, że zacznie być częściowo eliminowany z populacji z powodu powstawania diploidalnych trutni. W tym momencie, mam nadzieję, zaczyna być zrozumiałe, dlaczego naukowcy tak bardzo się spierają o kwestię „wystarczającej różnicy” pomiędzy wariantami csd – gdyby były znane te kryteria, można by było oszacować, jak szybko mogą powstawać nowe warianty, które z już istniejącymi wariantami mogłyby tworzyć funkcjonalne pary i jaka byłaby ich dynamika rozprzestrzeniania się w populacji.

Wir diploidalnych trutni

Wyobraźmy sobie teraz czarny scenariusz – mamy na danym terenie populację pszczół, której liczebność została w jakiś sposób zaburzona przez czynniki zewnętrzne (pasożyty, insektycydy, niedostatek pożywienia, fatalną pogodę…). Wraz ze spadkiem liczby rodzin zmniejsza się różnorodność wariantów genu csd w takiej populacji. W ślad za tym spadkiem wzrasta prawdopodobieństwo, że nowe matki będą zaplemniane przez trutnie niosące takie same warianty csd, które mają matki, a więc zamiast robotnic będzie powstawać pewien odsetek diploidalnych trutni. To z kolei może osłabiać rodziny i powodować ich śmierć. Spadek liczby rodzin spowoduje coraz większy spadek różnorodności csd, i tak dalej, i tak dalej, aż cała populacja w końcu wyginie. Efekt ten został przewidziany symulacjami matematycznymi i został nazwany wirem diploidalnych trutni (Rycina 3). Mając to na względzie, można wnioskować, że obecne problemy ze zwiększającą się śmiertelnością pszczół, choć są niewątpliwie stymulowane wspomnianymi czynnikami zewnętrznymi,  mogą być dodatkowo napędzane mechanizmem powstawania diploidalnych trutni. Nie można nie odnosić się zatem sceptycznie do niektórych praktyk hodowlanych, które powodują dodatkowe obniżenie różnorodności genetycznej populacji pszczół, szczególnie masowej produkcji blisko spokrewnionych ze sobą matek pszczelich i ich kontrolowanej inseminacji spermą pochodzącą od ograniczonej liczby trutni, często blisko ze sobą spokrewnionych. Praktyki takie, choć pomagające w osiągnięciu celów hodowlanych, jakimi są wyprowadzenie linii pszczół o pożądanych cechach, powinny być jednak głęboko przemyślane pod kątem niekorzystnego wpływu, jaki mogą wywrzeć na całą populację pszczół.