Natural genetic variation of male sperm size in the nematode Caenorhabditis elegans

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Soares, Nuno Filipe da Silva, 1989-
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/7706
Resumo: Tese de mestrado. Biologia (Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012
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spelling Natural genetic variation of male sperm size in the nematode Caenorhabditis elegansEvoluçãoVariação genéticaEspermatozóidesNemátodosTeses de mestrado - 2012Tese de mestrado. Biologia (Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012Sperm competition is a major evolutionary force driving diversity in sperm morphology. In Caenorhabditis elegans, an androdioecious nematode, sperm competition may occur between sperm of different males competing for fertilization of a hermaphrodite or between hermaphrodite self-sperm and male sperm. Upon outcrossing, male sperm consistently outcompetes hermaphrodite sperm, and the main factor increasing sperm competitiveness is sperm size, which is always larger in males. Previously observed variation in male sperm size in C. elegans thus potentially reflect adaptive responses to sperm competition. However, the extent of natural genetic variation in male sperm size has not been quantitatively studied and its underlying proximate causes remain elusive. Here we quantitatively assessed natural genetic variation of male sperm size in C. elegans using a world-wide set of 97 wild isolates, covering a maximum of reported genetic variation. The aim of the project was to initiate the genetic characterization of male sperm size using Genome-Wide Association Study (GWAS) and build the basis for future Quantitative Trait Loci (QTL) mapping. This work provides the most extensive analysis of natural genetic variation in C. elegans male sperm size up to date. We report significant heritable variation in male sperm size; however, we did not detect any significant candidate genomic regions using GWAS. Sperm cell area ranging from approximately 16 μm2 to 27 μm2; with most isolates showing an intermediate sperm size of approximately 22 μm2. The analysis detected two isolates as clear outliers: JU561 and LSJ1, which show a much smaller sperm size compared to the rest of isolates. We discuss the significance of these results and outline future approaches. In addition, we report pilot experiments focusing on the effects of male age and mating on sperm size.A reprodução sexual é um tipo de reprodução comum que envolve a fusão de dois gâmetas normalmente referidos como oócitos, os femininos, e espermatozóides, os masculinos. Os espermatozóides são, por norma, células móveis com a única função de encontrar e fertilizar os maiores e imóveis oócitos femininos para originar o zigoto. No entanto, os espermatozóides apresentam uma grande diversidade morfológica em diversos taxa. Esta diversidade morfológica é atribuída principalmente a três fatores: adaptação a novos ambientes; interações macho-fêmea e macho-macho; fenómenos de especiação. Devido à dificuldade de acesso a fêmeas e/ou à quantidade limitante de oócitos disponíveis para fertilização, é usual existir competição entre machos. Em casos de poliandria, ou em sistemas semelhantes, onde a mesma fêmea acasala com mais do que um macho, a competição masculina desce para um nível de competição espermática assumindo-se como um fator de seleção pós-copulatória, tendo um impacto no fitness masculino. A competição espermática assume um papel preponderante na evolução da morfologia dos espermatozóides. Estes ao competirem dentro do trato reprodutor feminino podem ter várias características a serem selecionadas para um melhor desempenho. O aumento do número/densidade de espermatozóides para aumentar as hipóteses de fertilização, conhecido como “fair raffle”, é uma das características mais selecionadas. Contudo, características morfológicas, como o tamanho e a mobilidade, podem melhorar a qualidade dos espermatozóides e aumentar a capacidade destes de fertilização face a outros competidores. A competição espermática, apesar de ser um fenómeno associado a machos, pode-se encontrar também em espécies hermafroditas ou androdióicas, sempre que promiscuidade dos recetores permita o encontro de esperma de diferentes dadores. O modelo utilizado neste projecto foi o Caenorhabditis elegans, um nemátode bastante utilizado em ciências biológicas como organismo modelo. Foi o primeiro animal com o genoma sequenciado e possui diversas técnicas e ferramentas moleculares disponíveis e características favoráveis à sua manutenção e manipulação. C. elegans possui um sistema sexual androdióico sendo as suas populações constituídas por hermafroditas suficientes (XX) e machos (XO) e o seu principal método de reprodução consiste na auto-fecundação. Os machos representam uma percentagem mínima da população, cerca de 1%, e surgem espontaneamente devido a erros de disjunção dos cromossomas sexuais ou resultam do cruzamento entre machos e hermafroditas (50% da descendência do macho). Os hermafroditas produzem espermatozóides num período limitado durante a última fase larvar e quando se tornam adultos mudam para oogénese irreversivelmente. A competição espermática em C. elegans existe assim maioritariamente entre hermafroditas, quando fecundados, e machos. Em C. elegans, tanto os espermatozóides masculinos como os hermafroditas são semelhantes: ambos quando imaturos são esféricos; quando ativados desenvolvem características amebóides deslocando-se através dum pseudópode; ambos fertilizam os oócitos quando estes atravessam a espermateca a caminho do útero. Contudo, os espermatozóides masculinos são maiores e mais competitivos que os dos hermafroditas. Este maior tamanho dos espermatozóides confere uma maior capacidade de mobilidade e aderência bem como capacidade de deslocar espermatozóides mais pequenos. Durante a passagem dos oócitos pela espermateca os espermatozoides são arrastados com estes para o útero, necessitando de voltar para a espermateca para a fertilização. É neste retorno que espermatozóides maiores terão vantagem sobre os mais pequenos. Estudos anteriores indicam que o facto de espermatozóides maiores serem mais competentes que os de menor tamanho é uma característica partilhada no género Caenorhabditis. Espécies gonocorísticas, onde o risco de competição espermática é maior, também possuem espermatozóides maiores que espécies androdióicas. Porém, este maior tamanho dos espermatózoides aparenta também estar associado a um maior custo para os indivíduos, fazendo com que sejam produzidos mais lentamente. Um elevado nível de variação do tamanho dos espermatozóides masculinos foi também observado, tanto entre estirpes de C.elegans, assim como entre outras espécies do género Caenorhabditis. Adicionalmente, demonstrou-se que em condições de evolução experimental, onde a competição espermática era maior, machos com espermatozóides maiores foram selecionados. Este facto prova a importância do tamanho dos espermatozóides em C. elegans no fitness masculino assim como prova que é uma característica onde a variação genética tem relevância. Atualmente desconhece-se como é regulado o tamanho de espermatozóides em Caenorhabditis, tanto a nível genético como de desenvolvimento. São conhecidos três mutantes, spe-10, spe-17 e spe-39, que diminuem o tamanho dos espermatozóides, contudo os espermatozóides mutantes não são competentes e não ilustram uma variação natural. Evidências recentes indicam que o reduzido tamanho dos espermatózoides hermafroditas deve-se a constrangimentos induzidos pelo soma feminino. Nematodes fêmeas artificialmente induzidos a produzir espermatozóides (como um hermafrodita artificial) apresentam uma predisposição para criá-los mais pequenos que os dos machos. O tamanho dos espermatozóides provavelmente é influenciado por diversos fatores, como a cooperação entre o intestino e a gónada somática, onde o sexo do nematode é relevante. Especula-se que a diferença de tamanho entre espermatózoides masculinos/hermafroditas surja como a combinação da pressão selectiva sobre ambos os tipos de espermatozóides e dos constrangimentos de desenvolvimento existentes no hermafrodita. O trabalho aqui apresentado teve como objectivo compreender o papel da variação genética natural em C. elegans na variação do tamanho dos espermatozóides masculinos e identificar os fatores genéticos por detrás desta. Começou-se por explorar a possibilidade de usar um de dois conjuntos de Recombinant Inbred Lines (RIL) para uma análise Quantitative Trait Loci (QTL). Os resultados obtidos revelaram que as diferenças no tamanho dos espermatozóides masculinos das estirpes parentais não era suficiente para prosseguir com a análise QTL e o projecto foi descartado. A abordagem passou a centrar-se na caracterização da variação natural do tamanho de espermatozóides masculinos em C. elegans e a na realização de um Genome-Wide Association Study (GWAS) para a mesma característica. Para isso mediu-se os espermatozóides masculinos de uma coleção de 97 estirpes com origem natural de C. elegans, com base num estudo recente em que a sua caracterização genética foi feita. Os nossos resultados revelaram uma variação significativa entre estirpes, tal como era esperado, e documentou pela primeira vez o tamanho dos espermatozóides masculinos para várias estirpes. Duas estirpes, LSJ1 e JU561, distinguiram-se das outras pelo pequeno tamanho de espermatozóides. Esta descoberta é particularmente interessante devido ao facto de LSJ1 diferir substancialmente no tamanho dos espermatozóides da estirpe N2, também medida na caracterização. LSJ1 deriva de N2 e ambas são extremamente próximas geneticamente, contudo LSJ1 foi mantida em meio líquido durante várias décadas. Em meio líquido o cruzamento entre machos e hermafroditas é inexistente, criando um cenário onde apenas os espermatozóides hermafroditas são relevantes na reprodução. LSJ1 aparenta representar um caso de evolução extremamente rápido em resposta a uma pressão artificial. É possível que o tamanho dos espermatozóides masculinos tenha sido afetado pela seleção sobre os espermatozóides hermafroditas, visto ambos partilharem genes responsáveis pela espermatogénese. Uma rápida acumulação de mutações afetando o tamanho dos espermatozóides masculintos também pode explicar esta observação. O mapeamento através do GWAS não resultou em nenhuma região genómica candidata responsável pela variação do tamanho dos espermatozóides, apontando esta característica como poligénica com uma provável complexa arquitectura genética. Este resultado pode dever-se também ao relaxamento da pressão seletiva sobre os espermatozóides masculinos devido ao reduzido número de machos presentes nas populações naturais, permitindo a acumulação de polimorfismos. Adicionalmente, foi realizado um estudo piloto, abordando o efeito do envelhecimento dos indivíduos e do cruzamento (esgotamento da reserva de espermatozóides) no tamanho dos espermatozóides masculinos. Analisaram-se em três alturas diferentes, duas estirpes com diferentes tamanhos de espermatozóides masculinos, N2 e AB1, submetidas a dois tratamentos: um em que os machos estavam em isolamento e outro onde estavam na presença de hermafroditas, com os quais se podiam cruzar. Os resultados aqui apresentados indicam que o tamanho dos espermatozóides varia com a idade dos machos, tendo os machos mais jovens espermatozóides mais pequenos. Um estudo anterior observou a mesma tendência num outro nemátode, suportando os resultados do nosso estudo. Concluindo, o trabalho aqui descrito contribui para uma melhor compreensão da evolução espermática de C. elegans. Complementa o conhecimento sobre espermatozóides masculinos já existente, documentando o tamanho destes para várias estirpes de origem natural de C. elegans e relaciona-o com a variação genética natural. A nossa caracterização permitiu-nos escolher as melhores estirpes para a futura criação de um conjunto de RILs, com o objectivo de realizar uma análise QTL sobre variação do tamanho de espermatozóides masculinos. Adicionalmente, o trabalho aqui apresentado comprova que fatores, como o envelhecimento, são relevantes para tamanho dos espermatozóides e, consequentemente, para a competição espermática.Braendle, ChristianSucena, ÉlioRepositório da Universidade de LisboaSoares, Nuno Filipe da Silva, 1989-2013-02-12T16:39:55Z20122012-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/7706enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:51:09Zoai:repositorio.ul.pt:10451/7706Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:32:28.391780Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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