Bevis for fuldgenome-duplikering fundet i hestesko krabberne • Sergey Yastrebov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Evolution, Genetics

Bevis for fuldgenet duplikering fundet i hestesko krabber

Fig. 1. Atlantic hestesko krabbe Limulus polyphemus. Foto af Alexander Semenov fra se.reeflex.net

Full-genomisk dobbeltarbejde (helgenomplikation, WGD) har længe været betragtet som et unikt træk ved hvirveldyr, i den tidlige udvikling, som det forekommer at forekomme to gange. Nylige undersøgelser viser imidlertid, at en meget gentagen gentagelse af genomet er sket i en evolutionær afdeling af leddyr, nemlig i hesteskoekræftene (Xiphosura). Udseendet af et stort antal nye gener som følge af en række duplikationer kan betragtes som en af ​​de sandsynlige årsager til hvirveldyrs evolutionære succes, men det førte ikke til hesteskoekræftene.

Mød generne

For omkring et halvt århundrede var den japanske biolog Susumu Ono (Susumu Ohno), der arbejdede i USA, seriøst tænkt på spørgsmålet: hvor kommer nye gener fra?

Begrebet "gen" på det tidspunkt var kendt for forskere i lang tid – Wilhelm Ludwig Johannsen introducerede det tilbage i 1909. Siden da vidste alle, at et gen er en slags "enhed af arvelighed". Men i de første årtier havde biologer ingen klar ide om, hvilke gener der er fysiske. I meget lang tid vidste ingen endda præcis, hvilket stof de blev lavet af (DNA-rolle i transmissionen af ​​genetiske oplysninger blev tydeligt demonstreret kun i 1944).Under disse forhold forblev mange hypoteser om genernes udvikling vanskelige at kontrollere. For eksempel troede Ernst Mayr – den største evolutionist, en berømt forsker af speciering – fast, at forskellige organismer, selv nært beslægtede, burde have meget forskellige sæt gener. Men er dette virkelig tilfældet? Og hvordan dannes der nye gener, hvis de er så foranderlige?

I 1953 lavede James Watson og Francis Crick den mest berømte opdagelse i biologien i det 20. århundrede, hvorved genets kemiske natur (J. Watson, F. Crick, 1953) blev opbygget. DNA-strukturen. Det blev endelig klart, at genet er en del af et dobbeltstrenget DNA-molekyle, der som hovedregel bærer information om strukturen af ​​et bestemt protein. DNA er en nucleotidkæde, protein er en kæde af aminosyrer, mens sekvenserne af nukleotider i et gen og aminosyrer i et protein er bundet gennem den genetiske kode. I mellemtiden havde biokemister allerede i 1950'erne været i stand til at "læse" aminosyresekvenserne af proteiner. Dette var en indirekte, men meget pålidelig måde at få information om generens struktur, som i mange tilfælde kunne erstatte direkte læsning af DNA-sekvenser (som blev lært lidt senere). Født komparativ molekylærbiologi.

De første undersøgelser af denne art viste, at gener på en evolutionær tidsskala er påfaldende konservative. For eksempel studerede biokemikeren Emanuel Margoliash i begyndelsen af ​​1960'erne aminosyresekvensen for cytokrom c – et bredt distribueret protein, der udfører en vigtig funktion i processen med cellulær respiration (E. Margoliash, 1963. Primær struktur og udvikling af cytochrom c). Det viste sig, at i alle undersøgte hvirveldyr består dette protein af 104 aminosyrer, hvoraf kun hos mennesker og heste 12 er forskellige, og hos mennesker og tun – kun 21. Selv i bagergær, som generelt ikke refererer til dyr, men til svampe, omkring halvdelen af ​​cytochrom aminosyresekvensen c faldt sammen med de samme sekvenser, der blev læst hos hvirveldyr. Andre lignende undersøgelser gav lignende resultater: sekvenserne af generne, som koder for "det samme protein" (det vil sige proteiner med samme virkning og lignende egenskaber) viste sig at være meget ens i forskellige organismer.

Således blev Ernst Mayrs forudsigelse af en stor genetisk forskel mellem beslægtede organismer afvist ved direkte observationer.Ifølge den velkendte bioinformatik Eugene Kunin viste "fejlen i denne forudsigelse sig simpelthen fortryllende, hvilket i sig selv gør det ikke trivielt og værdifuldt" (E. V. Kunin, 2014. Sagens logik). Faktisk er generne ofte meget mere resistente end de organismer, de tilhører.

En sådan høj modstand af gener ved første øjekast gør det ganske usandsynligt, at et sådant fænomen som den gradvise udvikling af et allerede eksisterende gen, hvilket fører til en fuldstændig ændring i dens funktion. Men hvornår kommer der nye gener fra? Dette er spørgsmålet, Susumu spurgte.

Duplikationer og Evolution

Den japanske genetiker redegjorde som følger. Vi ved, at et gen "ladet" med en vigtig funktion, som ikke kan kasseres, kun kan ændres under evolutionen på en begrænset måde og vigtigst langsomt. Hvis alle gener udviklede sig så hurtigt som cytokromgenerne hos hvirveldyr, ville mangfoldigheden af ​​det liv vi observerer nu være uopnåeligt. Og da det stadig eksisterer, betyder det, at der skal være en slags mekanisme til fremskyndelse af evolution på genniveau.

Susumu Ono foreslog, at gen-duplikationer, dvs. simpelthen fordobling, tjener som sådan en mekanisme (S. Ohno, 1970. Evolution ved gen-duplikering).De ekstra kopier af gener, der opstår som følge af denne proces, akkumulerer forskelle meget lettere og friere end unikke gener, fordi deres "skade" ikke længere er livstruende. Og sådan en overflødig kopi kan godt udvikle sig til tilstanden af ​​et nyt gen i en rimelig tid. Nyhed skabes gennem redundans.

Bevis for virkeligheden af ​​denne evolutionsmetode var til rådighed for biologer allerede i 1960'erne. For eksempel er proteinet, der bærer ilt i vores blod, hæmoglobin, et stort molekyle bestående af fire aminosyrekæder, der syntetiseres separat. Sammensætningen af ​​hæmoglobin i en voksen består sædvanligvis af to typer aminosyrekæder, nemlig to a-kæder og to β-kæder. Det er kendt, at a-kæden og β-kæden af ​​hæmoglobin er kodet af forskellige gener og ligger i genomet langt fra hinanden (i forskellige kromosomer). Dette er et klart resultat af duplikationen af ​​et enkelt gen, der opstod i en fjern forfader – omkring 500 millioner år siden, hvilket dømmer efter antallet af aminosyresubstitutioner.

Det skal bemærkes, at i historien af ​​hæmoglobiner undervurderede det endda omfanget af hændelser. Nu ved vi det faktisk i det menneskelige genom er tretten hæmoglobiner gener kodende aminosyre kæder af ni forskellige typer (R.Hardison, 2012. Evolution af hæmoglobin og dets gener). Mange af disse gener er enten aktive kun før fødslen eller producerer meget lave koncentrationer af produkter, men de eksisterer ikke desto mindre. Så duplikering af hæmoglobingener forekom mere end én gang i vores evolutionære linje og ikke to gange.

Det er imidlertid ikke begrænset til undersøgelsen af ​​hæmoglobiner. Han indsamlede hurtigt andre lignende data, for eksempel relateret til visse metaboliske enzymer og immunitetsproteiner (immunoglobuliner). Han var overbevist om, at gen-duplikering var en vigtig drivkraft for evolutionen. Det forblev at forstå præcis, hvordan de opstår.

En efter en eller en gang?

Klassisk genetik kender to forholdsvis sikre måder til at danne yderligere kopier af gener: fordobling af en enkelt kromosomregion (tandem-duplikation) eller fordobling af hele genomet (fuld genomisk dobbeltarbejde, se polyploidisering, dobbeltgenerering af helgener, WGD). Det var vel vidende, at begge disse mekanismer er ret virkelige, og var overbevist om, at de begge er involveret i storskala udvikling. Spørgsmålet var kun, hvilket er vigtigere.

Fig. 2. Tandem og fuld-genom-duplikationer. Til venstre et kromosom er vist med differentiel farve i forskellige regioner (et segment fordobles), til højre – et sæt kromosomer, der fuldstændig fordobles

Vurdering af sandsynlighederne for visse begivenheder, evolutionære biologer går normalt fra et mønster, der kan formuleres simpelt: struktur "bange" for nyhed (A. S. Rautian, 2006. Buketten af ​​evolutionsloven). Jo mere "katastrofale" en begivenhed (i hvilken forstand det er), jo større er risikoen for, at den på en eller anden måde forstyrrer et komplekst systems funktion, og jo mindre sandsynligt er det, at sådanne begivenheder ofte vil opstå i evolutionen. Fra dette synspunkt er forskellen mellem fuldgenomet og tandem-duplikationen indlysende: den første påvirker hele genomet, den anden – kun en af ​​kromosomerne, og det er ikke helt. Naturligvis betragter traditionelt mindede biologer fuld-genomisk dobbeltarbejde for at være en meget mere sjælden mekanisme (især da dyr i modsætning til planter sjældent findes).

Men ikke alt er så simpelt. Efter tandem-duplikering begynder de gener, som har erhvervet yderligere kopier som følge af det, at syntetisere flere produkter, mens de resterende gener virker som før. Som følge heraf forstyrres det evolutionært udviklede forhold for produkter af forskellige gener, og det fejlsøgte genetiske system kan mislykkes.I mellemtiden er der med dobbeltgeneration af dobbeltgenerier udelukket sådanne fejl, fordi antallet af kopier af alle gener i dette tilfælde stiger proportionalt. Og herfra konkluderede den: Alt andet lige er en fuld-genomisk dobbeltarbejde en sikrere udviklingsmåde end en lang række tandem-duplikationer, hvilket giver en kumulativ effekt, der kan sammenlignes med den.

Bemærk, at denne kumulative effekt skal bestå af ikke mere og ikke mindre end en stigning i hele genomet mindst to gange. Er denne samtale tom? Er der nogen grund til at tro på, at sådanne begivenheder generelt opstod i udviklingen af ​​nogen dyr?

Ja, der er. For at forstå dette er det nok at sammenligne størrelserne af hvirveldyrets genomer og deres nære slægtninge – de lavere akkordater.

Ved 1960'erne var der allerede samlet mange data om dette emne. Og disse data angav tydeligt følgende: Under overgangen fra de nedre akkordater til hvirveldyrene steg genomets størrelse pludseligt. Det er let at udtrykke i tal. I en typisk hvirveldyr (for hvis rolle det er muligt at vælge med samme succes en haj, frø, rotte eller menneske), vil genomet næsten helt sikkert være 3-5 gange større end for eksempeleksempleret lavere akkord, lancelet.Der er separate grupper af hvirveldyr, hvor genomet er yderligere forstørret (for eksempel tailed amfibier) eller omvendt reduceret (fx fugle), men alt dette ligner variationer mod baggrunden af ​​det allerede nåede generelle niveau (se genomerne af tailed amfibier var store fra begyndelsen , "Elements", 06.24.2015).

Tænker over disse data, det kom til en meget dristig hypotese på det tidspunkt: i begyndelsen af ​​udviklingen af ​​hvirveldyr havde de en fordobling hele genom. Og dømme efter hvor mange gange genomet er vokset, kan der være to sådanne begivenheder.

Er dette rent biologisk? Ja. Videnskaben er velbevidst (og allerede vidste i 1960'erne) eksempler på hvirveldyr, hvor fordobling af hele genomet faktisk opstod.

Så tidligt som i det første år af det 20. århundrede blev det konstateret, at langt størstedelen af ​​multicellulære dyr (undtagen sexceller) er diploide, dvs. de indeholder to kopier af hvert kromosom. Somme gange kan sæt gener fordoble. Derefter bliver cellerne og de organismer, der består af dem, tetraploid – indeholdende fire kopier af hvert kromosom. Tetraploide løb har for eksempel en guldfisk (Carassius auratus) – den art, som akvariet guldfisk tilhører (J. Xiao et al., 2011. Sameksistens af diploid, triploid og tetraploid crucian karp (Carassius auratus) i naturlige farvande).

Det sker også, at et sæt gener fordobler to gange i træk. Derefter bliver kroppen octoploid – indeholdende otte kopier af hvert kromosom. Octoploid arter med et meget stort antal kromosomer er for eksempel blandt de sydamerikanske hornede frøer i slægten Ceratophrys (B. Evans et al., 2012. Polyploidisering og sexchromosomudvikling i amfibier).

Fig. 3. Nogle ejere af fuld-genom-dobbeltarbejde: rotiferer Adineta vaga (til venstre) og dekoreret slingshot Ceratophrys ornata. I det første fordobles genomet (sammenlignet med det typiske rotifergenom), i det andet bliver det firdoblet (sammenlignet med det typiske frøgenom). Billeder fra plingfactory.de og arkive.org

Hvis dette er muligt, hvorfor skulle den fælles forfædre for hvirveldyr være tetraploid eller endog octoploid? I de næste tredive år af hans liv forblev Susumu Ono loyal overfor denne hypotese og indsamlede stadig nye data til støtte for det (S. Ohno, 1999. Gen-duplikering og unikke vertebrat genomer omkring 1970-1999). Men han havde få tilhængere.

Duplikation og unikhed

I 1990'erne blev den britiske genetiker Peter Holland (Peter Holland) interesseret i udviklingen af ​​en ret specifik gruppe af gener af multicellulære dyr kaldet Hox-gener (se for eksempel: Hox-generens arbejdsprogrammer for larver og voksne af annelidorms er fundamentalt forskellige " "2013/05/27).Disse gener er aktivt involveret i embryonal udvikling, der styrer dannelsen af ​​forskelle mellem dele af kroppen. Et af funktionerne i Hox-generne er, at de som regel er placeret i kromosomer i kompakte grupper – klynger. Så i forskningsprocessen blev det hurtigt klart, at de fleste hvirveldyrgrupper, for eksempel pattedyr, har fire Hox-klynger. Men hos ikke-hvirveldyr, herunder de lavere akkordater, er Hox-klyngen normalt kun en. Hvorfor?

På udkig efter et svar på dette spørgsmål besluttede Holland at udvide kredsen af ​​de pågældende gener – og opdagede straks en række interessante ting.

Først i begyndelsen af ​​2000'erne gjorde genetik det muligt at sikre, at hvirveldyr har flere gener end nogen hvirvelløse dyr, herunder de lavere akkordater (P. Holland, 2003. Flere gener i hvirveldyr?). Vi understreger: her taler vi ikke om størrelsen af ​​genomet (som også kan afhænge af mængden af ​​"meningsløse" ikke-kodende sekvenser), men om antallet af gener. Det er rigtigt, at det totale antal gener i genomet ikke altid er let at estimere, men det er her, at dataene for de enkelte generegrupper er ganske vejledende: for eksempel har lancelet 15 Hox-gener og hos mennesker 39.

For det andet viste det sig, at ikke kun Hox-gener, men mange andre gener (meget ofte uden relation til reguleringen af ​​embryonisk udvikling) findes i genomerne af lancelet og andre lavere akkordater i en enkelt kopi og i genomene af hvirveldyr – i to, tre eller fire lidt forskellige kopier. Listen over sådanne gener viste sig at være meget lang, herunder generne af mange enzymer, signalfaktorer og cytoskeletproteiner.

I 2002 offentliggjorde Peter Holland i samarbejde med Rebecca Furlong en artikel under den utvetydige titel: "Var hvirveldyr octoploid?" (R. Furlong, P. Holland, 2002. Var hvirveldyr octoploid?). Og svaret var – ja, det var de. Hypotesen for den gentagne fordobling af hele hvirveldyrets genom er blevet anerkendt.

Vi skal hylde Holland: i sine artikler behandlede han først og fremmest Ono's argumenter og praised hans bog (virkelig meget interessant) og viste hvad han havde ret om. Til gengæld ignorerede Ono sig aldrig nye genetiske data, herunder dem, der var relateret til Hox-generne (i hans seneste artikler er der henvisninger til Holland selv). Desværre døde Susumu Ono i begyndelsen af ​​2000, bare lidt før det tidspunkt, hvor hans hypotese blev en fuldvundig videnskabelig mainstream.

Det er nu generelt accepteret, at de ved begyndelsen af ​​udviklingen af ​​hvirveldyr havde en fuld genomisk dobbeltarbejde. Og der var faktisk to fuld-genomiske duplikationer: sandsynligvis opstod en af ​​dem ved selve forekomsten af ​​hvirveldyr, og den anden – under overgangen fra jawless til maxillary. Så octoploider kan kun betragtes som sidstnævnte (fisk, amfibier, krybdyr, pattedyr).

Det skal bemærkes, at antallet af gener i ingen hvirveldyr overskrider den af ​​lancelet (eller andre lavere akkordater) præcis fire gange. Denne overlegenhed er altid meget mindre. Faktum er, at to og endnu fire fire identiske kopier af et funktionelt gen er ikke kun overflødige for organismen, men kan også forstyrre hinandens arbejde (se Konflikt mellem kopier af et fordoblet gen fører til en overdreven komplikation af genregulatoriske netværk, Elements, 2013/10/10). I bedste fald begynder disse kopier at hurtigt opbygge forskelle og opdele funktioner indbyrdes. I værste fald bryder de "ekstra" gener ned, først forvandler sig til pseudogener og forsvinder derefter helt. Så det forudsiges. sekundær diploidisering: Det polyploide genom er reduceret, komprimeret og bliver som følge heraf igen diploid. Denne proces studeres meget godt i planter, men også hos dyr er der uden tvivl forekommet dyr.

Det var ikke overraskende, at Holland-arbejdet som følge af Hollands arbejde begyndte at betragtes som et unikt træk ved en gruppe af hvirveldyr, så klart som femdelingshjernen, det neurale krystal og nogle andre anatomiske strukturer (S. Shimeld, P. Holland, 2000. Vertebrate innovationer) . Det viste sig klart, at hvirveldyr var den eneste store evolutionære gren af ​​dyr, hvor en sådan begivenhed fandt sted.

Hemmelighed af hestesko krabben genomet

Der er ingen tvivl om, at fuld-genomiske duplikationer, der dækker store evolutionære grene, forekom yderst sjældent i multicellulære dyrs historie. Ud over hvirveldyr er der noget lignende, der indtil nu kun er fundet i bdelloidrotiferer – meget ejendommelige væsner, der helt forladte seksuel reproduktion (J. Flot, 2013. Genetisk bevis for ameiotisk udvikling i bdelloid rotifer Adineta vaga; se også: Horisontal genbytter erstatter rotifers seksuel reproduktion, "Elements", 07.08.2008).

Men i biologi bør man aldrig have travlt med generaliseringer.I de senere år har der vist sig data om tilgængeligheden af ​​yderligere kopier af et antal gener relateret til Hox-generne (men ikke nødvendigvis relateret til dem) hos nogle edderkopper, scorpioner og hesteskoekræber. Alle disse dyr tilhører den gamle evolutionære gren, som kaldes chelicer. Har der været en historie med helikopter fuld-genomiske duplikationer, som ligner hvirveldyr?

Faktisk sidste år en detaljeret undersøgelse af genomet af Atlanterhavshestehaleekrabben (Limulus polyphemus), som fuldt ud bekræfter denne ide (C. Nossa et al., 2014. Atlanterhavshestehrabekrabbenet afslører gammel helgenomplikation). Det viste sig især, at hestesko krabben ikke er en Hox-klynge, ligesom langt de fleste hvirvelløse dyr, og fire, der ligger i forskellige kromosomer – som pattedyr!

Det er ikke overraskende, at dette spørgsmål straks blev optaget af en international gruppe genetikere, der også omfattede Peter Holland, sammen med flere kinesiske forskere. Først og fremmest blev de nødt til at finde ud af, om fuldgenomdubblering er et unikt træk ved de arter, som den atlanterhavshestehalekrabbe tilhører, eller er det et træk ved den hesteskovkræbs evolutionære stamme generelt. Til dette blev to arter inddraget i undersøgelsen: mangrove hestesko krabbe (Carcinoscorpius rotundicauda) og kinesisk hestesko krabbe (Tachypleus tridentatus).Konklusionen viste sig at være entydig: fuldgenomdubblering er et træk ved alle moderne hestesko krabber, sandsynligvis arvet fra en fælles forfader.

Fig. 4. Mangrove hestesko krabbe Carcinoscorpius rotundicauda (en), moderne hesteskovkræbs evolutionære træer (b) og nogle gener af de tre typer hestesko krabber (c). MYA – millioner af år siden. I bordet fire gener er vist; hver bar svarer til et specifikt gen hver linje – En af de tre undersøgte typer af hestesko krabber. Numre i kvadrater vis hvor mange kopier af dette gen er i genomet af denne art. Fedte tal svarer til de gener, der tages i betragtning ved opbygningen af ​​et molekylært evolutionært træ, kursiverede tal, – ikke overvejet Hvis tallet er større end 4, betyder det, at dette gen har gennemgået yderligere duplikationer, ikke længere fuldgenomet, men tandem. Illustration af artiklen i diskussion Arvelighed

Tilstedeværelsen af ​​yderligere kopier i genomet af hesteskoekrabberne blev demonstreret ikke kun for Hox-gener, men også for flere andre generegrupper, som normalt regulerer embryonal udvikling (ParaHox-gener, Seks gener, NK-gener og andre). Nogle af de "redundante" gener af hestesko krabber er allerede blevet pseudo-gener, mens andre har opdelte funktioner.i det mindste delvist (dette bekræftes ved undersøgelser af regionerne af genaktivitet i forskellige arter). Alt dette er helt i tråd med forventningerne: Det er disse processer, der skal følge en fuld-genomisk dobbeltarbejde.

For en lang række gener undersøgt, er antallet af kopier i genomet af hestesko krabber ikke begrænset til to, men går op til tre eller fire. Mest sandsynligt betyder det, at der var to begivenheder i fuldgenome-duplikationen – ligesom hos hvirveldyr. Det viser sig, at den fælles forfader for moderne hestesko krabber også var octoploid.

Hvornår levede denne forfader? Horsetails er en meget gammel gruppe dyr. Disse er typiske "levende mineraler": det er velkendt, at hestesko krabber, der levede 400 millioner år siden, ikke er så forskellige fra de moderne (P. Selden, D. Siveter, 1987. Limuloids oprindelse). Den antikke gruppe af denne gruppe er levende demonstreret af sit revne område: af de tre typer af hestesko krabber studeret med Holland bor man nær Atlanterhavskysten i Nordamerika og to i det lavvandede hav i Sydøstasien og Kina. I øjeblikket kan hestesko krabber ikke kaldes en succesfuld evolutionær gren: der er kun fire moderne arter i den.At dømme efter molekylære data levede den fælles forfader for moderne hestesko krabber relativt nylig – 135 millioner år siden. Men fordobling af genomet kunne naturligvis være sket før.

Under alle omstændigheder har vi før os den første beviste episode af storskala fuld-genomisk dobbeltarbejde i smeltetyr (Ecdysozoa). Alas, hun bringer ikke sådan evolutionær succes som hvirveldyr til hestene. Susumu Ono havde ret, at genduplikation er en stærk kilde til evolutionær nyhed; men det alene er ikke nok til fremskridt (i enhver form for ordet). At dømme efter den fossile rekord, selv i hesteskoens krabbes blomstrer, var der maksimalt flere dusin arter af dem – man kan ikke sammenligne med hvirveldyr. Et lignende genetisk "eksperiment" i to forskellige tilfælde førte til helt forskellige resultater.

Det er uvist, om fordobling af genomet kun forekom i hesteskovens evolutionære linje eller om det var i den fælles forfader for helicer-slægten som helhed. Ud over hesteskrabekræftene tilhører en meget mere talrig gruppe – arachniderne – cheliceraen. Nogle af dem, nemlig skorpioner, har faktisk fundet pålidelige tegn på talrige gen-duplikationer.Men om disse duplikationer var fuldgenet, er det tvivlsomt.

Kilde: N. J. Kenny, K. W. Chan, W. Nong, Z. Qu, I. Maeso, H. Y. Yip, T. F. Chan, H. S. Kwan, P. W. H. Holland, K. H. Chu, og J. H. L. Hui. Ancestral whole-genom duplikering i marine chelicerate hestesko krabber // Arvelighed. Advance online publikation 30. september 2015.

Sergey Yastrebov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: