Samolubny element genetyczny

Samolubne elementy genetyczne (historycznie określane również jako samolubne geny , ultra-samolubne geny , samolubne DNA , pasożytnicze DNA i genomiczne wyjęte spod prawa ) to segmenty genetyczne, które mogą wzmacniać własną transmisję kosztem innych genów w genomie, nawet jeśli nie ma to pozytywnego lub negatywnego wpływu netto na sprawność organizmu. Genomy były tradycyjnie postrzegane jako spójne jednostki, w których geny działają razem w celu poprawy sprawności organizmu. Kiedy jednak geny mają pewną kontrolę nad własną transmisją, zasady mogą się zmieniać, a więc tak jak wszystkie grupy społeczne, genomy są podatne na samolubne zachowania ze strony swoich części .

Wczesne obserwacje samolubnych elementów genetycznych dokonano prawie sto lat temu, ale temat ten zyskał szerokie zainteresowanie dopiero kilkadziesiąt lat później. Zainspirowane poglądami na ewolucję skoncentrowanymi na genach, spopularyzowanymi przez George'a Williamsa i Richarda Dawkinsa , w 1980 roku w czasopiśmie Nature opublikowano kolejno dwa artykuły – autorstwa Lesliego Orgela i Francisa Cricka oraz Forda Doolittle’a i Carmen Sapienza - wprowadzenie koncepcji samolubnych elementów genetycznych (wówczas zwanych „samolubnym DNA”) do szerszej społeczności naukowej. W obu artykułach podkreślono, że geny mogą rozprzestrzeniać się w populacji niezależnie od ich wpływu na sprawność organizmu, o ile mają przewagę transmisyjną.

Samolubne elementy genetyczne zostały obecnie opisane w większości grup organizmów i wykazują niezwykłą różnorodność w sposobach promowania własnej transmisji. Choć długo odrzucane jako ciekawostki genetyczne, mające niewielkie znaczenie dla ewolucji, obecnie uznaje się, że wpływają na szeroki zakres procesów biologicznych, od wielkości i architektury genomu po specjację.

Historia

Wczesne obserwacje

Obserwacje tego, co obecnie określa się mianem samolubnych elementów genetycznych, sięgają początków historii genetyki . Już w 1928 roku rosyjski genetyk Siergiej Gershenson poinformował o odkryciu kierującego chromosomem X u Drosophila obscura . Co najważniejsze, zauważył, że wynikający z tego stosunek płci do kobiet może doprowadzić do wyginięcia populacji (patrz Wymieranie gatunków ). Najwcześniejsze jasne stwierdzenie, w jaki sposób chromosomy mogą rozprzestrzeniać się w populacji, nie z powodu ich pozytywnego wpływu na kondycję poszczególnych organizmów, ale z powodu ich własnej „pasożytniczej” natury, pochodzi od szwedzkiego botanika i cytogenetyka Gunnara Östergrena w 1945 r. Omawiając chromosomy B w roślinach on napisał:

W wielu przypadkach chromosomy te nie pełnią żadnej użytecznej funkcji dla gatunków, które je niosą, ale często prowadzą wyłącznie pasożytniczą egzystencję… [chromosomy B] nie muszą być przydatne dla roślin. Muszą być użyteczni tylko dla siebie.

Mniej więcej w tym samym czasie zgłoszono kilka innych przykładów samolubnych elementów genetycznych. Na przykład amerykański genetyk kukurydzy Marcus Rhoades opisał, w jaki sposób gałki chromosomalne prowadzą do żeńskiego napędu mejotycznego u kukurydzy. Podobnie było wtedy, gdy po raz pierwszy zasugerowano, że konflikt wewnątrzgenomowy między genami mitochondrialnymi odziedziczonymi po jednym rodzicu a genami jądrowymi odziedziczonymi po rodzicach może prowadzić do cytoplazmatycznej męskiej bezpłodności u roślin. Następnie, na początku lat pięćdziesiątych, Barbara McClintock opublikował serię artykułów opisujących istnienie elementów transpozycyjnych , które są obecnie uznawane za jedne z samolubnych elementów genetycznych odnoszących największe sukcesy. Odkrycie elementów ruchomych doprowadziło do przyznania jej w 1983 roku Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii .

Rozwój koncepcyjny

Empiryczne badanie samolubnych elementów genetycznych odniosło ogromne korzyści z pojawienia się w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych tak zwanego genocentrycznego poglądu na ewolucję. W przeciwieństwie do pierwotnego sformułowania teorii ewolucji przez dobór naturalny Darwina, która koncentrowała się na pojedynczych organizmach, pogląd z perspektywy genu zakłada, że gen jest centralną jednostką selekcji w ewolucji. Pojmuje ewolucję przez dobór naturalny jako proces obejmujący dwa odrębne byty: replikatory (byty, które wytwarzają wierne kopie samych siebie, zwykle geny) i pojazdy (lub interakcje; byty, które wchodzą w interakcje ze środowiskiem ekologicznym, zwykle organizmy).

Ponieważ organizmy są zjawiskami tymczasowymi, obecnymi w jednym pokoleniu i znikającymi w następnym, geny (replikatory) są jedyną istotą wiernie przekazywaną z rodzica na potomstwo. Postrzeganie ewolucji jako walki między rywalizującymi replikatorami ułatwiło rozpoznanie, że nie wszystkie geny w organizmie będą dzielić ten sam ewolucyjny los.

Widok z perspektywy genu był syntezą populacyjnych modeli genetycznych współczesnej syntezy, w szczególności prac RA Fishera , oraz modeli ewolucji społecznej WD Hamiltona . Pogląd ten spopularyzowały adaptacja i dobór naturalny George'a Williamsa oraz bestseller Richarda Dawkinsa Samolubny gen . Dawkins podsumował kluczową korzyść z widoku oka genu w następujący sposób:

„Jeżeli pozwolimy sobie na mówienie o genach tak, jakby miały one świadome cele, zawsze upewniając się, że możemy przetłumaczyć nasz niechlujny język z powrotem na przyzwoite terminy, jeśli tylko zechcemy, możemy zadać pytanie, czym jest pojedynczy samolubny gen próbujący do zrobienia?" — Richard Dawkins, Samolubny gen

W 1980 roku dwa głośne artykuły opublikowane jeden po drugim w Nature przez Lesliego Orgela i Francisa Cricka oraz przez Forda Doolittle i Carmen Sapienzę sprawiły, że badanie samolubnych elementów genetycznych znalazło się w centrum debaty biologicznej. Punktem wyjścia artykułów była współczesna debata na temat tzw. paradoksu wartości C , brak korelacji między wielkością genomu a postrzeganą złożonością gatunku. W obu artykułach podjęto próbę przeciwstawienia się panującemu wówczas poglądowi, że obecność zróżnicowanych ilości niekodującego DNA i elementów transpozycyjnych można najlepiej wyjaśnić z perspektywy indywidualnej sprawności, opisanej przez Doolittle i Sapienza jako „paradygmat fenotypowy”. Zamiast tego autorzy argumentowali, że znaczna część materiału genetycznego w genomach eukariotycznych utrzymuje się nie z powodu efektów fenotypowych, ale można to zrozumieć z perspektywy genu, bez odwoływania się do wyjaśnień na poziomie indywidualnym. Te dwa artykuły doprowadziły do serii wymian w „Nature” .

Aktualne poglądy

Jeśli samolubne prace DNA zapoczątkowały poważne badania samolubnych elementów genetycznych, to kolejne dziesięciolecia były świadkiem eksplozji teoretycznych postępów i odkryć empirycznych. Leda Cosmides i John Tooby napisał przełomową recenzję na temat konfliktu między genami cytoplazmatycznymi odziedziczonymi po matce a genami jądrowymi odziedziczonymi po matce. Artykuł zawierał również obszerne wprowadzenie do logiki konfliktów genomowych, zapowiadając wiele tematów, które później będą przedmiotem wielu badań. Następnie w 1988 roku John H. Werren i współpracownicy napisali pierwszy poważny empiryczny przegląd tego tematu. W tym artykule osiągnięto trzy rzeczy. Po pierwsze, ukuł termin samolubny element genetyczny, kładąc kres czasami myląco zróżnicowanej terminologii (samolubne geny, ultra-samolubne geny, samolubne DNA, pasożytnicze DNA, genomowi wyjęci spod prawa). Po drugie, formalnie zdefiniował pojęcie samolubnych elementów genetycznych. Wreszcie, był to pierwszy artykuł, w którym zebrano wszystkie różne rodzaje samolubnych elementów genetycznych znanych w tamtym czasie ( nie uwzględniono na przykład imprintingu genomowego ).

Pod koniec lat 80. większość biologów molekularnych uważała samolubne elementy genetyczne za wyjątek, a genomy najlepiej postrzegano jako wysoce zintegrowane sieci o spójnym wpływie na sprawność organizmu. W 2006 roku, kiedy Austin Burt i Robert Trivers opublikowali pierwsze obszerne opracowanie na ten temat, sytuacja się zmieniała. Chociaż ich rola w ewolucji długo pozostawała kontrowersyjna, w recenzji opublikowanej sto lat po ich pierwszym odkryciu William R. Rice doszedł do wniosku, że „nic w genetyce nie ma sensu, chyba że w świetle konfliktów genomowych”.

Logika

Chociaż samolubne elementy genetyczne wykazują niezwykłą różnorodność w sposobie promowania własnej transmisji, można dokonać pewnych uogólnień na temat ich biologii. W klasycznej recenzji z 2001 roku Gregory DD Hurst i John H. Werren zaproponowali dwie „zasady” samolubnych elementów genetycznych.

Zasada 1: Rozprzestrzenianie się wymaga seksu i krzyżowania

Rozmnażanie płciowe polega na mieszaniu genów dwóch osobników. Zgodnie z prawem segregacji Mendla , allele w organizmie rozmnażającym się płciowo mają 50% szans na przekazanie potomstwu. Dlatego mejoza jest czasami określana jako „sprawiedliwa”.

Oczekuje się, że genomy o wysokim stopniu samozapłodnienia lub bezpłciowe będą doświadczać mniejszego konfliktu między samolubnymi elementami genetycznymi a resztą genomu gospodarza niż genomy płciowe. Jest tego kilka powodów. Po pierwsze, płeć i krzyżowanie zewnętrzne umieszczają samolubne elementy genetyczne w nowych liniach genetycznych. W przeciwieństwie do tego, w wysoce samolubnej lub bezpłciowej linii każdy samolubny element genetyczny zasadniczo utknął w tej linii, co powinno zwiększyć zróżnicowanie sprawności między osobnikami. Zwiększona zmienność powinna skutkować silniejszą selekcją oczyszczającą u osób samolubnych/bezpłciowych, ponieważ linia bez samolubnych elementów genetycznych powinna konkurować z linią z samolubnym elementem genetycznym. Po drugie, zwiększona homozygotyczność u selferów eliminuje możliwość rywalizacji między homologicznymi allelami. Po trzecie, prace teoretyczne wykazały, że większa nierównowaga sprzężeń w samozapylaniu w porównaniu z genomami krzyżującymi się może w niektórych, choć raczej ograniczonych przypadkach, powodować selekcję w celu zmniejszenia szybkości transpozycji. Ogólnie rzecz biorąc, to rozumowanie prowadzi do przewidywania, że osoby bezpłciowe/samolubne powinny doświadczać mniejszego ładunku samolubnych elementów genetycznych. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że ewolucja samozapylenia wiąże się ze zmniejszeniem efektywna wielkość populacji . Zmniejszenie efektywnej wielkości populacji powinno zmniejszyć skuteczność selekcji, a zatem prowadzi do odwrotnej prognozy: większej akumulacji samolubnych elementów genetycznych u selferów w porównaniu z outcrosserami.

Empiryczne dowody na znaczenie płci i krzyżowania pochodzą z różnych samolubnych elementów genetycznych, w tym elementów transpozycyjnych, samopromujących się plazmidów i chromosomów B.

Zasada 2: Obecność jest często ujawniana w hybrydach

Obecność samolubnych elementów genetycznych może być trudna do wykrycia w populacjach naturalnych. Zamiast tego ich fenotypowe konsekwencje często stają się widoczne w hybrydach. Pierwszym tego powodem jest to, że niektóre samolubne elementy genetyczne szybko przechodzą do utrwalenia, a zatem efekty fenotypowe nie będą segregować w populacji. Jednak zdarzenia hybrydyzacji spowodują powstanie potomstwa z samolubnymi elementami genetycznymi i bez nich, co ujawni ich obecność. Drugim powodem jest to, że genomy gospodarza wyewoluowały mechanizmy tłumienia aktywności samolubnych elementów genetycznych, na przykład wyciszanie elementów transpozycyjnych przez małe RNA. Koewolucja samolubnych elementów genetycznych i ich supresorów może być szybka i następować po Dynamika Czerwonej Królowej , która może maskować obecność samolubnych elementów genetycznych w populacji. Z drugiej strony potomstwo hybrydy może odziedziczyć dany samolubny element genetyczny, ale nie odpowiadający mu supresor, a zatem ujawnić fenotypowy efekt samolubnego elementu genetycznego.

Przykłady

Zniekształcacze segregacji

Zniekształcenia segregacji (tutaj pokazane na czerwono) są przekazywane do> 50% gamet.

Niektóre samolubne elementy genetyczne manipulują procesem transmisji genetycznej na swoją korzyść, przez co są nadreprezentowane w gametach. Takie zniekształcenie może wystąpić na różne sposoby, a ogólnym terminem obejmującym je wszystkie jest zniekształcenie segregacyjne. Niektóre pierwiastki mogą być preferencyjnie przenoszone w komórkach jajowych, w przeciwieństwie do ciałek polarnych podczas mejozy, gdzie tylko te pierwsze zostaną zapłodnione i przekazane następnemu pokoleniu. Każdy gen, który może manipulować prawdopodobieństwem wylądowania w komórce jajowej, a nie w ciele polarnym, będzie miał przewagę transmisji i zwiększy częstotliwość w populacji.

Zniekształcenie segregacji może nastąpić na kilka sposobów. Kiedy ten proces zachodzi podczas mejozy, nazywa się to popędem mejotycznym . Wiele form zniekształceń segregacji występuje w procesie powstawania gamet męskich, gdzie występuje zróżnicowana śmiertelność plemników w procesie dojrzewania plemników lub spermiogenezy . Zniekształcenie segregacji (SD) u Drosophila melanogaster jest najlepiej zbadanym przykładem i obejmuje białko otoczki jądrowej Ran-GAP i macierz powtórzeń połączoną z X zwaną Responder (Rsp), gdzie allel SD Ran-GAP faworyzuje własną transmisję tylko w obecności czynnika ^{wrażliwego na Rsp} allel na chromosomie homologicznym. SD działa w celu zabicia ^{wrażliwych na RSP} w procesie postmejotycznym (stąd nie jest to ściśle mówiąc popęd mejotyczny). Systemy takie jak ten mogą mieć interesującą dynamikę kamień-papier-nożyce, oscylując między haplotypami ^{niewrażliwymi na} SD-RSP , ^{niewrażliwymi na} SD+-RSP i ^{wrażliwymi na SD+-RSP. Haplotyp}^{wrażliwy na} SD-RSP nie jest widoczny, ponieważ zasadniczo popełnia samobójstwo.

Kiedy zniekształcenie segregacji działa na chromosomy płciowe, mogą one zniekształcić stosunek płci. Na przykład system SR u Drosophila pseudoobscura znajduje się na chromosomie X, a samce XSR/Y produkują tylko córki, podczas gdy samice przechodzą normalną mejozę z mendlowskimi proporcjami gamet. Systemy zniekształcenia segregacji doprowadziłyby preferowany allel do utrwalenia, z wyjątkiem tego, że w większości przypadków, w których te systemy zostały zidentyfikowane, allelowi napędzanemu przeciwstawia się jakaś inna siła selekcyjna. Jednym z przykładów jest śmiertelność haplotypu t u myszy, innym jest wpływ na płodność samców systemu Sex Ratio u D. pseudoobscura .

Endonukleazy naprowadzające

Endonukleazy naprowadzające mogą rozpoznać sekwencję docelową, przeciąć ją, a następnie użyć własnej sekwencji jako szablonu podczas naprawy pęknięcia podwójnej nici. To przekształca heterozygotę w homozygotę.

Zjawiskiem ściśle związanym z zakłóceniem segregacji są endonukleazy naprowadzające . Są to enzymy, które tną DNA w sposób specyficzny dla sekwencji, a te nacięcia, zazwyczaj pęknięcia dwuniciowe, są następnie „leczone” przez zwykłą maszynerię naprawy DNA. Endonukleazy zasiedlające wstawiają się do genomu w miejscu homologicznym do pierwszego miejsca wstawiania, co powoduje konwersję heterozygoty w homozygotę niosącą kopię endonukleazy zasiedlającej na obu homologicznych chromosomach. Daje to endonukleazom zasiedlającym dynamikę częstotliwości alleli raczej podobną do systemu zniekształceń segregacji i generalnie, o ile nie przeciwstawi się im silna selekcja wyrównawcza, oczekuje się, że przejdą do fiksacji w populacji. CRISPR-Cas9 technologia pozwala na sztuczną konstrukcję systemów endonukleaz naprowadzających. Te tak zwane systemy „napędu genowego” stanowią połączenie wielkiej obietnicy kontroli biologicznej, ale także potencjalnego ryzyka.

Elementy transpozycyjne

Elementy transpozycyjne replikują się samoczynnie poprzez dwa główne mechanizmy: poprzez pośredni RNA („kopiuj i wklej”; klasa 1) lub proste wycięcie-wstawienie („wytnij i wklej”; klasa 2).

Elementy transpozycyjne (TE) obejmują szeroką gamę sekwencji DNA, z których wszystkie mają zdolność przemieszczania się do nowych miejsc w genomie gospodarza. Transpozony robią to poprzez bezpośredni mechanizm wycinania i wklejania, podczas gdy retrotranspozony muszą wytwarzać pośredni RNA, aby się poruszać. TE zostały po raz pierwszy odkryte w kukurydzy przez Barbarę McClintock w latach czterdziestych XX wieku, a ich zdolność do występowania zarówno w stanie aktywnym, jak i spoczynkowym w genomie została również po raz pierwszy wyjaśniona przez McClintocka. TE zostały określone jako samolubne elementy genetyczne, ponieważ mają pewną kontrolę nad własnym rozmnażaniem w genomie. Większość przypadkowych insercji do genomu wydaje się być stosunkowo nieszkodliwa, ale mogą one zakłócić krytyczne funkcje genów z druzgocącymi skutkami. Na przykład TE zostały powiązane z różnymi chorobami ludzkimi, od raka po hemofilię. TE, które mają tendencję do unikania zakłócania funkcji życiowych w genomie, zwykle pozostają w genomie dłużej, a zatem jest bardziej prawdopodobne, że zostaną znalezione w nieszkodliwych miejscach.

Zarówno gospodarze roślinni, jak i zwierzęcy wyewoluowali sposoby zmniejszania wpływu TE na sprawność, zarówno poprzez bezpośrednie ich wyciszanie, jak i zmniejszanie ich zdolności do transpozycji w genomie. Wydaje się, że gospodarze na ogół są dość tolerancyjni wobec TE w swoich genomach, ponieważ spora część (30-80%) genomu wielu zwierząt i roślin to TE. Kiedy żywiciel jest w stanie zatrzymać swój ruch, TE można po prostu zamrozić w miejscu, a mutacja może zająć im miliony lat. Sprawność TE jest połączeniem jej zdolności do powiększania się liczebności w genomie, unikania obrony żywiciela, ale także unikania zbyt drastycznego osłabienia sprawności żywiciela. Wpływ TE w genomie nie jest całkowicie samolubny. Ponieważ ich wstawienie do genomu może zakłócić funkcję genu, czasami te zakłócenia mogą mieć pozytywną wartość przystosowania dla gospodarza. Wiele adaptacyjnych zmian w Drosophila i psy są związane z insercjami TE.

Chromosomy B

Chromosomy B odnoszą się do chromosomów, które nie są wymagane do żywotności lub płodności organizmu, ale istnieją oprócz normalnego zestawu (A). Utrzymują się w populacji i gromadzą, ponieważ mają zdolność do propagowania własnej transmisji niezależnie od chromosomów A. Często różnią się liczbą kopii u osobników tego samego gatunku.

Chromosomy B zostały po raz pierwszy wykryte ponad sto lat temu. ^{[ kiedy? ]} Choć zazwyczaj chromosomy są mniejsze niż normalne, ich uboga w geny, bogata w heterochromatynę struktura czyni je widocznymi dla wczesnych technik cytogenetycznych. Chromosomy B zostały dokładnie zbadane i szacuje się, że występują u 15% wszystkich gatunków eukariotycznych. Ogólnie rzecz biorąc, wydają się być szczególnie powszechne wśród roślin dwuliściennych, rzadkie u ssaków i nieobecne u ptaków. W 1945 roku były one przedmiotem klasycznego artykułu Gunnara Östergrena „Pasożytnicza natura dodatkowych chromosomów fragmentów”, w którym argumentuje on, że zróżnicowanie liczebności chromosomów B między gatunkami iw obrębie gatunku wynika z pasożytniczych właściwości Bs. To był pierwszy raz, kiedy materiał genetyczny został określony jako „pasożytniczy” lub „samolubny”. Liczba chromosomów B dodatnio koreluje z rozmiarem genomu i została również powiązana ze spadkiem produkcji jaj u konika polnego Eyprepocnemis plorans .

Konflikty genetyczne często powstają, ponieważ nie wszystkie geny są dziedziczone w ten sam sposób. Przykłady obejmują cytoplazmatyczną męskosterylność (patrz samolubne mitochondria ). Podczas gdy geny mitochondrialne i chloroplastowe są na ogół dziedziczone po matce, chromosomy B mogą być preferencyjnie przenoszone zarówno przez mężczyzn, jak i kobiety.

Samolubne mitochondria

Konflikty genomowe często powstają, ponieważ nie wszystkie geny są dziedziczone w ten sam sposób. Prawdopodobnie najlepszym tego przykładem jest konflikt między jednorodzicielskimi (zwykle, ale nie zawsze, matczynymi) odziedziczonymi genami mitochondrialnymi i obojga rodziców. Rzeczywiście, jedno z najwcześniejszych jasnych stwierdzeń na temat możliwości konfliktu genomowego zostało poczynione przez angielskiego botanika Dana Lewisa w odniesieniu do konfliktu między odziedziczonymi po matce genami mitochondrialnymi i odziedziczonymi po rodzicach genami jądrowymi o przydział płci u roślin hermafrodytycznych .

Pojedyncza komórka zazwyczaj zawiera wiele mitochondriów, co stwarza sytuację rywalizacji o transmisję. Sugeruje się, że dziedziczenie jednorodzicielskie jest sposobem na ograniczenie możliwości rozprzestrzeniania się samolubnych mitochondriów, ponieważ gwarantuje, że wszystkie mitochondria mają ten sam genom, eliminując w ten sposób możliwość konkurencji. Pogląd ten pozostaje szeroko rozpowszechniony, ale został zakwestionowany. Dlaczego dziedziczenie zakończyło się matczynym, a nie ojcowskim, jest również przedmiotem wielu dyskusji, ale jedną z kluczowych hipotez jest to, że wskaźnik mutacji jest niższy u kobiet w porównaniu z gametami męskimi.

Konflikt między genami mitochondrialnymi i jądrowymi jest szczególnie łatwy do zbadania u roślin kwitnących. Rośliny kwitnące są zazwyczaj hermafrodytami, a zatem konflikt występuje w obrębie jednego osobnika. Geny mitochondrialne są zwykle przekazywane tylko przez żeńskie gamety, dlatego z ich punktu widzenia produkcja pyłku prowadzi do ewolucyjnego ślepego zaułka. Każda mutacja mitochondrialna, która może wpłynąć na ilość zasobów, jakie roślina inwestuje w żeńskie funkcje rozrodcze kosztem męskich funkcji rozrodczych, zwiększa własne szanse na przeniesienie. Cytoplazmatyczna męskosterylność to utrata męskiej płodności, zazwyczaj poprzez utratę funkcjonalnej produkcji pyłku, wynikającą z mutacji mitochondrialnej. U wielu gatunków, u których występuje cytoplazmatyczna męskosterylność, w genomie jądrowym wyewoluowały tak zwane geny przywracające, które hamują działanie cytoplazmatycznych genów męskosterylności i przywracają funkcję męską, czyniąc roślinę ponownie hermafrodytą.

Koewolucyjny wyścig zbrojeń między samolubnymi genami mitochondrialnymi a jądrowymi allelami kompensacyjnymi można często wykryć poprzez krzyżowanie osobników z różnych gatunków, które mają różne kombinacje genów męskosterylności i przywracaczy jądrowych, w wyniku czego powstają hybrydy z niedopasowaniem.

Inną konsekwencją matczynego dziedziczenia genomu mitochondrialnego jest tzw. Klątwa Matki . Ponieważ geny w genomie mitochondrialnym są ściśle dziedziczone po matce, mutacje, które są korzystne u kobiet, mogą rozprzestrzeniać się w populacji, nawet jeśli są szkodliwe u mężczyzn. Wyraźne badania przesiewowe muszek owocowych pozwoliły z powodzeniem zidentyfikować takie mutacje mtDNA neutralne dla samic, ale szkodliwe dla samców. Ponadto artykuł z 2017 roku wykazał, w jaki sposób mutacja mitochondrialna powodująca dziedziczną neuropatię nerwu wzrokowego Lebera , chorobę oczu typową dla mężczyzn, została przeniesiona przez jednego z Filles du roi który przybył do Quebecu w Kanadzie w XVII wieku, a następnie rozprzestrzenił się wśród wielu potomków.

Imprintingu genomowego

Igf2 jest przykładem imprintingu genomowego. U myszy gen insulinopodobnego czynnika wzrostu 2, Igf2 , który jest powiązany z produkcją hormonów i zwiększonym wzrostem potomstwa, ulega ekspresji po ojcu (wyciszony przez matkę), a gen receptora insulinopodobnego czynnika wzrostu 2, Igf2r , który wiąże się z białkiem wzrostu i w ten sposób spowalnia wzrost, jest wyrażany przez matkę (ojcowski wyciszony). Potomstwo ma normalne rozmiary, gdy oba geny są obecne lub oba geny są nieobecne. Kiedy gen eksprymowany przez matkę ( Igf2r ) zostanie eksperymentalnie wyeliminowany, potomstwo ma niezwykle duże rozmiary, a kiedy gen eksprymowany przez ojca ( Igf2 ) zostaje znokautowany, potomstwo jest niezwykle małe.

Innym rodzajem konfliktu, z którym borykają się genomy, jest konflikt między matką a ojcem rywalizującymi o kontrolę nad ekspresją genów u potomstwa, w tym o całkowite wyciszenie jednego allelu rodzicielskiego. Ze względu na różnice w statusie metylacji gamet istnieje nieodłączna asymetria genomów matczynych i ojcowskich, które można wykorzystać do kierowania zróżnicowaną ekspresją rodzica pochodzenia. Powoduje to naruszenie reguł Mendla na poziomie ekspresji, a nie transmisji, ale jeśli ekspresja genu wpływa na przystosowanie, może to oznaczać podobny rezultat.

Wdrukowanie wydaje się być zjawiskiem nieprzystosowawczym, ponieważ zasadniczo oznacza rezygnację z diploidii, a heterozygoty dla jednego wadliwego allelu mają kłopoty, jeśli aktywny allel jest tym, który jest wyciszony. Kilka ludzkich chorób, takich jak Pradera-Williego i Angelmana , jest związanych z defektami w imprintowanych genach. Asymetria matczynej i ojcowskiej ekspresji sugeruje, że jakiś konflikt między tymi dwoma genomami może napędzać ewolucję imprintingu. W szczególności kilka genów u ssaków łożyskowych wykazuje ekspresję genów ojcowskich, które maksymalizują wzrost potomstwa, oraz genów matczynych, które mają tendencję do kontrolowania tego wzrostu. Przedstawiono wiele innych teorii opartych na konfliktach dotyczących ewolucji imprintingu genomowego.

Jednocześnie konflikt genomowy lub seksualny nie są jedynymi możliwymi mechanizmami, dzięki którym może ewoluować imprinting. Opisano kilka mechanizmów molekularnych imprintingu genomowego i wszystkie mają aspekt polegający na tym, że allele pochodzące od matki i ojca mają różne znaki epigenetyczne, w szczególności stopień metylacji cytozyn. Ważną kwestią, na którą należy zwrócić uwagę w odniesieniu do imprintingu genomowego, jest to, że jest ono dość heterogeniczne, z różnymi mechanizmami i różnymi konsekwencjami posiadania ekspresji pojedynczego rodzica pochodzenia. Na przykład badanie statusu imprintingu blisko spokrewnionych gatunków pozwala zobaczyć, że gen, który został przeniesiony przez inwersję w bliskie sąsiedztwo genów imprintowanych, może sam uzyskać status imprintingu, nawet jeśli nie ma żadnej szczególnej konsekwencji dopasowania imprintingu.

Zielonobrody

Gen zielonobrodego to gen, który ma zdolność rozpoznawania swoich kopii u innych osobników, a następnie sprawia, że jego nosiciel zachowuje się preferencyjnie wobec takich osobników. Sama nazwa pochodzi od eksperymentu myślowego przedstawionego po raz pierwszy przez Billa Hamiltona, a następnie została rozwinięta i nadała jej obecną nazwę Richard Dawkins w Samolubnym genie. Celem tego eksperymentu myślowego było podkreślenie, że z perspektywy genu nie liczy się pokrewieństwo obejmujące cały genom (tak zwykle działa dobór krewniaczy, tj. szczególne miejsce leżące u podstaw zachowań społecznych.

Najprostsza forma mechanizmu zielonobrodego. Osoba z allelem zielonobrodym preferencyjnie pomaga innemu osobnikowi zielonobrodemu.

Idąc za Dawkinsem, zielonobrody jest zwykle definiowany jako gen lub zestaw ściśle powiązanych genów, który ma trzy efekty:

Daje nosicielom genu etykietę fenotypową, taką jak zielonobrody.
Przewoźnik jest w stanie rozpoznać inne osoby z tą samą etykietą.
Nosiciel zachowuje się wtedy altruistycznie wobec osób z tą samą etykietą.

Długo uważano zielonobrodych za zabawny pomysł teoretyczny, z ograniczoną możliwością ich rzeczywistego istnienia w naturze. Jednak od czasu jego powstania zidentyfikowano kilka przykładów, w tym w drożdżach, śluzowcach i mrówkach ognistych.

Odbyła się debata, czy geny zielonobrodego należy uznać za samolubne elementy genetyczne. Konflikt między locus zielonobrodego a resztą genomu może powstać, ponieważ podczas danej interakcji społecznej między dwoma osobnikami pokrewieństwo w locus zielonobrodego może być wyższe niż w innych loci w genomie. W konsekwencji w interesie locus zielonobrodego może leżeć wykonanie kosztownego aktu społecznego, ale nie w interesie reszty genomu.

W połączeniu z samolubnymi elementami genetycznymi, selekcja zielonobrodego została również wykorzystana jako teoretyczne wyjaśnienie samobójstwa.

Konsekwencje dla gospodarza

Wymarcie gatunku

Być może jednym z najwyraźniejszych sposobów, aby zobaczyć, że proces doboru naturalnego nie zawsze ma sprawność organizmu jako jedynego czynnika napędzającego, jest sytuacja, w której samolubne elementy genetyczne działają bez ograniczeń. W takich przypadkach samolubne elementy mogą w zasadzie doprowadzić do wyginięcia gatunku. Na taką możliwość zwrócił uwagę już w 1928 roku Siergiej Gershenson, a następnie w 1967 roku Bill Hamilton opracowali formalny model genetyczny populacji dla przypadku zniekształcenia segregacji chromosomów płciowych prowadzącego populację do wyginięcia. W szczególności, jeśli samolubny element byłby w stanie kierować produkcją plemników, tak że samce posiadające ten element na chromosomie Y wytwarzałyby nadmiar plemników zawierających Y, to przy braku jakiejkolwiek przeciwstawnej siły ostatecznie doprowadziłoby to do w chromosomie Y, przechodząc w populację do fiksacji, tworząc skrajnie męski stosunek płci. W przypadku gatunków zagrożonych ekologicznie takie tendencyjne proporcje płci oznaczają, że konwersja zasobów na potomstwo staje się bardzo nieefektywna, aż do ryzyka wyginięcia.

Specjacja

Wykazano, że samolubne elementy genetyczne odgrywają rolę w specjacji . Może się tak zdarzyć, ponieważ obecność samolubnych elementów genetycznych może skutkować zmianami w morfologii i/lub historii życia, ale sposoby, dzięki którym koewolucja między samolubnymi elementami genetycznymi i ich supresorami może powodować izolację reprodukcyjną poprzez tzw . niezgodności poświęcono szczególną uwagę.

Wczesnym uderzającym przykładem dysgenezji hybrydowej wywołanej przez samolubny element genetyczny był element P u Drosophila . Jeśli samce posiadające P zostały skrzyżowane z samicami pozbawionymi tego pierwiastka, powstałe potomstwo cierpiało na zmniejszoną sprawność. Jednak potomstwo odwrotnego krzyża było normalne, jak można by się spodziewać, ponieważ piRNA są dziedziczone po matce. Element P jest zwykle obecny tylko w dzikich szczepach, a nie w szczepach laboratoryjnych D. melanogaster , ponieważ te ostatnie zostały zebrane przed P. elementy zostały wprowadzone do gatunku, prawdopodobnie z blisko spokrewnionego gatunku Drosophila . Historia P jest również dobrym przykładem tego, jak szybka koewolucja między samolubnymi elementami genetycznymi a ich tłumikami może prowadzić do niezgodności w krótkich ewolucyjnych skalach czasowych, zaledwie w ciągu kilku dekad.

Od tego czasu zademonstrowano kilka innych przykładów samolubnych elementów genetycznych powodujących izolację reprodukcyjną. Krzyżowanie różnych gatunków Arabidopsis skutkuje zarówno wyższą aktywnością elementów transpozycyjnych, jak i zaburzeniem imprintingu, z których oba zostały powiązane z obniżeniem sprawności powstałych mieszańców. Wykazano również, że dysgenezja hybryd jest spowodowana przez napęd centromerowy w jęczmieniu iw kilku gatunkach roślin okrytonasiennych przez konflikt mito-jądrowy.

Zmienność wielkości genomu

Próby zrozumienia niezwykłej zmienności wielkości genomu ( wartość C ) — zwierzęta różnią się 7000 razy, a rośliny lądowe około 2400 razy — ma długą historię w biologii. Jednak ta zmienność jest słabo skorelowana z liczbą genów lub jakąkolwiek miarą złożoności organizmu, co skłoniło CA Thomas do ukucia terminu paradoks wartości C w 1971 r. Odkrycie niekodującego DNA rozwiązało część paradoksu i większość obecnych badaczy obecnie użyj terminu „zagadka wartości C”.

Wykazano, że w szczególności dwa rodzaje samolubnych elementów genetycznych przyczyniają się do zmienności wielkości genomu: chromosomy B i elementy transpozycyjne. Udział elementów transpozycyjnych w genomie jest szczególnie dobrze zbadany u roślin. Uderzającym przykładem jest to, że genom modelowego organizmu Arabidopsis thaliana zawiera taką samą liczbę genów jak świerk norweski ( Picea abies ), około 30 000, ale nagromadzenie transpozonów oznacza, że genom tego ostatniego jest około 100 razy większy. Wykazano również, że obfitość elementów transpozycyjnych powoduje niezwykle duże genomy występujące u salamandrów.

Obecność obfitości elementów transpozycyjnych w wielu genomach eukariotycznych była głównym tematem wspomnianych powyżej oryginalnych samolubnych artykułów o DNA (patrz Rozwój koncepcyjny ). Większość ludzi szybko zaakceptowała główne przesłanie tych prac, że istnienie elementów transpozycyjnych można wytłumaczyć samolubną selekcją na poziomie genów i nie ma potrzeby odwoływania się do selekcji na poziomie indywidualnym. Jednak pomysł, że organizmy przechowują elementy transpozycyjne jako rezerwuar genetyczny w celu „przyspieszenia ewolucji” lub pełnienia innych funkcji regulacyjnych, utrzymuje się w niektórych kręgach. W 2012 roku, kiedy projekt ENCODE opublikował artykuł, w którym twierdził, że 80% ludzkiego genomu można przypisać funkcję, co przez wielu interpretowane było jako śmierć idei śmieciowego DNA , ta debata została wznowiona.

Zastosowania w rolnictwie i biotechnologii

Cytoplazmatyczna męskosterylność w hodowli roślin

Częstym problemem hodowców roślin jest niechciane samozapłodnienie. Jest to szczególnie problem, gdy hodowcy próbują krzyżować dwa różne szczepy, aby stworzyć nowy szczep hybrydowy. Jednym ze sposobów uniknięcia tego jest ręczna kastracja, tj. fizyczne usuwanie pylników w celu uczynienia osobnika męskosterylnym. Cytoplazmatyczna męskosterylność stanowi alternatywę dla tego żmudnego ćwiczenia. Hodowcy krzyżują szczep, który przenosi cytoplazmatyczną mutację męskosterylności ze szczepem, który go nie posiada, przy czym ten ostatni działa jako dawca pyłku. Jeśli potomstwo hybrydy ma być zbierane dla ich nasion (jak kukurydza), a zatem musi być męskopłodne, szczepy rodzicielskie muszą być homozygotyczne pod względem allelu przywracającego. W przeciwieństwie do gatunków, które zbierały części warzyw, takie jak cebula, nie stanowi to problemu. Ta technika była stosowana w wielu różnych uprawach, w tym w ryżu, kukurydzy, słoneczniku, pszenicy i bawełnie.

Wektory PiggyBac

Podczas gdy wiele elementów transpozycyjnych wydaje się nie przynosić korzyści gospodarzowi, niektóre elementy transpozycyjne zostały „ujarzmione” przez biologów molekularnych, dzięki czemu można je wstawić i wyciąć zgodnie z wolą naukowca. Takie elementy są szczególnie przydatne do przeprowadzania manipulacji genetycznych, takich jak wstawianie obcego DNA do genomów różnych organizmów.

Doskonałym tego przykładem jest PiggyBac , transpozycyjny element, który może skutecznie przemieszczać się między klonowanymi wektorami i chromosomami za pomocą mechanizmu „wytnij i wklej”. Badacz konstruuje element PiggyBac z wstawionym pożądanym ładunkiem, a drugi element (transpozaza PiggyBac), zlokalizowany na innym wektorze plazmidowym, może być kotransfekowany do komórki docelowej. Transpozaza PiggyBac tnie sekwencje odwróconych powtórzeń końcowych znajdujących się na obu końcach wektora PiggyBac i skutecznie przenosi zawartość z oryginalnych miejsc i integruje je w pozycjach chromosomalnych, w których znajduje się sekwencja TTAA. Trzy rzeczy, które sprawiają, że PiggyBac jest tak użyteczny, to niezwykle wysoka wydajność tej operacji wycinania i wklejania, jego zdolność do pobierania ładunków o wielkości do 200 kb oraz zdolność do pozostawienia idealnie płynnego wycięcia z miejsca genomowego, nie pozostawiając żadnego za nimi sekwencje lub mutacje.

Napęd genowy CRISPR i systemy endonukleazy naprowadzającej

CRISPR umożliwia konstruowanie sztucznych endonukleaz zasiedlających, w których konstrukt wytwarza kierujące RNA, które tną docelowy gen, a homologiczne sekwencje flankujące umożliwiają następnie wstawienie tego samego konstruktu zawierającego gen Cas9 i kierujące RNA. Takie napędy genowe powinny mieć zdolność szybkiego rozprzestrzeniania się w populacji (patrz Systemy napędów genowych ), a jednym z praktycznych zastosowań takiego systemu, który został zaproponowany, jest zastosowanie go do populacji szkodników, znacznie zmniejszając jej liczebność lub nawet doprowadzając do jej wyginięcia. Nie próbowano tego jeszcze w terenie, ale konstrukty napędu genowego przetestowano w laboratorium i wykazano zdolność do wstawiania do homologicznego allelu typu dzikiego u heterozygot w celu uzyskania napędu genowego. Niestety, pęknięcie dwuniciowe wprowadzone przez Cas9 można naprawić przez naprawę ukierunkowaną na homologię , która stworzyłaby idealną kopię napędu, lub przez niehomologiczne łączenie końców , które wytwarzałyby „odporne” allele niezdolne do dalszego rozmnażania się. Kiedy Cas9 ulega ekspresji poza mejozą, wydaje się, że dominuje niehomologiczne łączenie końców, co czyni to największą przeszkodą w praktycznym zastosowaniu napędów genowych.

Teoria matematyczna

Wiele nieporozumień związanych z poglądami na temat samolubnych elementów genetycznych koncentruje się na użyciu języka oraz sposobie opisywania elementów i ich dynamiki ewolucyjnej. Modele matematyczne umożliwiają przyjęcie założeń i zasad a priori w celu ustalenia matematycznych stwierdzeń dotyczących oczekiwanej dynamiki elementów w populacjach. Konsekwencje posiadania takich elementów w genomach można następnie obiektywnie zbadać. Matematyka może bardzo dokładnie zdefiniować różne klasy pierwiastków poprzez ich precyzyjne zachowanie w populacji, omijając wszelkie rozpraszające słownictwo o wewnętrznych nadziejach i pragnieniach chciwych, samolubnych genów. Istnieje wiele dobrych przykładów takiego podejścia, a ten artykuł koncentruje się na zniekształceniach segregacji, systemach napędu genów i elementach transpozycyjnych.

Zniekształcacze segregacji

Mysi allel t jest klasycznym przykładem systemu zniekształcającego segregację, który został szczegółowo wymodelowany. Heterozygoty dla haplotypu t wytwarzają> 90% swoich gamet niosących t (patrz Zniekształcenia segregacji ), a homozygoty dla haplotypu t umierają jako zarodki. Może to skutkować stabilnym polimorfizmem, z częstotliwością równowagi, która zależy od siły napędu i bezpośredniego wpływu haplotypów t na sprawność. Jest to powszechny motyw w matematyce zniekształceń segregacji: praktycznie każdy znany nam przykład pociąga za sobą równoważący efekt selektywny, bez którego allel z tendencyjną transmisją uległby utrwaleniu, a zniekształcenie segregacji nie byłoby już manifestowane. Ilekroć chromosomy płci ulegają zniekształceniu segregacji, stosunek płci w populacji ulega zmianie, co czyni te systemy szczególnie interesującymi. Dwa klasyczne przykłady zniekształcenia segregacji z udziałem chromosomów płciowych obejmują chromosomy X „stosunku płci”. Drosophila pseudoobscura i supresory napędu chromosomu Y Drosophila mediopunctata . Kluczową kwestią dotyczącą teorii zniekształcaczy segregacji jest to, że sam fakt, że istnieją efekty dopasowania działające przeciwko zniekształcaczowi, nie gwarantuje stabilnego polimorfizmu. W rzeczywistości niektóre sterowniki chromosomów płciowych mogą wytwarzać dynamikę częstotliwości z dzikimi oscylacjami i cyklami.

Systemy napędu genów

Pomysł rozprzestrzeniania genu w populacji jako środka kontroli populacji jest w rzeczywistości dość stary, a modele dynamiki wprowadzonych chromosomów złożonych sięgają lat 70. XX wieku. Następnie teoria genetyki populacji dla endonukleaz naprowadzających i napędów genowych opartych na CRISPR stała się znacznie bardziej zaawansowana. Ważnym elementem modelowania tych procesów w populacjach naturalnych jest uwzględnienie odpowiedzi genetycznej w populacji docelowej. Po pierwsze, każda naturalna populacja będzie zawierała stałą zmienność genetyczną, a ta zmienność może równie dobrze obejmować polimorfizm w sekwencjach homologicznych do kierujących RNA lub ramion homologii, które mają kierować naprawą. Ponadto różni żywiciele i różne konstrukty mogą mieć zupełnie różne wskaźniki łączenia niehomologicznych końców, formę naprawy, która skutkuje uszkodzonymi lub opornymi allelami, które już się nie rozprzestrzeniają. Pełne dostosowanie czynników gospodarza stanowi poważne wyzwanie dla konstruktu napędu genowego, aby przejść do utrwalenia, a Unckless i współpracownicy pokazują, że w rzeczywistości obecne konstrukty są dość dalekie od możliwości osiągnięcia nawet umiarkowanych częstotliwości w populacjach naturalnych. To kolejny doskonały przykład pokazujący, że tylko dlatego, że pierwiastek wydaje się mieć silną egoistyczną przewagę transmisji, to, czy może się on pomyślnie rozprzestrzeniać, może zależeć od subtelnych konfiguracji innych parametrów w populacji.

Elementy transpozycyjne

Aby modelować dynamikę elementów transpozycyjnych (TE) w genomie, należy zdać sobie sprawę, że elementy zachowują się jak populacja w każdym genomie i mogą przeskakiwać z jednego haploidalnego genomu do drugiego poprzez transfer poziomy. Matematyka musi opisywać współczynniki i zależności tych zdarzeń transferowych. Wcześnie zaobserwowano, że szybkość przeskakiwania wielu TE zmienia się w zależności od liczby kopii, dlatego pierwsze modele po prostu wykorzystywały funkcję empiryczną dla szybkości transpozycji. Miało to tę zaletę, że można było to zmierzyć za pomocą eksperymentów w laboratorium, ale pozostawiło otwarte pytanie, dlaczego szybkość różni się między elementami i różni się w zależności od liczby kopii. Stan Sawyer i Daniel L. Hartl dopasowali modele tego rodzaju do różnych bakteryjnych TE i uzyskali całkiem dobre dopasowanie między liczbą kopii a szybkością transmisji oraz występowaniem TE w całej populacji. TE w organizmach wyższych, np Drosophila mają bardzo różną dynamikę ze względu na płeć, a Brian Charlesworth , Deborah Charlesworth , Charles Langley, John Brookfield i inni modelowali ewolucję liczby kopii TE u Drosophila i innych gatunków. Imponujące we wszystkich tych wysiłkach związanych z modelowaniem jest to, jak dobrze pasowały one do danych empirycznych, biorąc pod uwagę, że było to dziesiątki lat przed odkryciem faktu, że mucha żywicielska ma potężny mechanizm obronny w postaci piRNA. Włączenie obrony gospodarza wraz z dynamiką TE do ewolucyjnych modeli regulacji TE jest wciąż w powijakach.

Zobacz też

Dalsza lektura

Burt A, Trivers R (2006). Geny w konflikcie: biologia samolubnych elementów genetycznych . Wydawnictwo Uniwersytetu Harvarda. ISBN 978-0-674-02722-0 .