Evolutionens hastighed afhænger af metoden til at lægge de primære bakterieceller • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Evolution, Development Biology, Genetics

Evolutionshastigheden afhænger af metoden til at lægge de primære bakterieceller.

Fig. 1. Evolutionær træ, der afspejler slægtsforskning af grupper af hvirveldyr, omtalt i ovenstående artikel. Top ned: Pattedyr, krokodiller, skildpadder, fugle, firben, slanger, salamandre, anura, stør, benfisk. blå viser de evolutionære linjer, der bibeholdt den oprindelige hvirveldyr "epigenetiske" Bogmærker metode primordiale kønsceller rød – grupper, der er flyttet til "preformation" Længden af ​​de endelige grene af et træ konventionelt (ikke målfast) betegner antallet af ændringer i DNA. Det faktum, at rød blå grene længere svarer til hovedkonklusionen af ​​artiklen: i de linjer, der er faldet til præformation, molekylær evolution går hurtigere. Træet fra artiklen under drøftelse i Videnskab, tegninger af dyr – fra forskellige steder

På et bestemt stadium af den embryonale udvikling af dyr omdannes en del af kimcellerne til "primære kimceller", som derefter giver anledning til æg eller spermatozoer. Denne transformation styres enten af ​​kemiske signaler fra andre kimceller (epigenese), eller den er forudbestemt af ægets oprindelige biokemiske opmærkning (præformation).I første omgang var den første metode karakteristisk for hvirveldyr, men senere flyttede nogle grupper (knogler, frøer, fugle og slanger) uafhængigt af hinanden, hvilket var ledsaget af acceleration af speciering. Sammenligningsanalyse af DNA viste, at udviklingen af ​​proteinkodende gener, især dem, der arbejder i de tidlige stadier af ontogenese, foregår hurtigere i grupper, der udfører præformation. Tilsyneladende stiller behovet for at bevare de genregulerende netværk, der er ansvarlige for det "epigenetiske" bogmærke af primære kimceller, begrænsninger for udviklingen af ​​ontogenese. Disse begrænsninger fjernes under overgangen til præformationen, hvilket fører til accelerationen af ​​evolutionen på det molekylære, morfologiske og taksonomiske niveau.

Mange elementer i det genetiske "program" af embryonale dyr udvikling er meget konservative, det vil sige, de ændres lidt under evolutionen (se for eksempel: Transformationen af ​​en polyp til en maneter styres af det samme signalsystem som omdannelsen af ​​en tadpole til en frø, Elements, 29. marts 2014) mens andre elementer er mere plastiske (Hox-gener viste sig at være mere evolutionære foranderlige end tidligere antaget, elementer, 12. oktober 2013).Sidstnævnte omfatter også mekanismen til lægning af primære kimceller (AUC, se: kimcelle).

Hos hvirveldyr er der to kendte måder at danne PPK på. I knogler, frøer, slanger og fugle bestemmes alt af det oprindelige biokemiske "mærkning" af et æg. I æggens cytoplasma har disse dyr et særligt område kaldet kimplasmaet (kimplasma, ikke forveksles med kimplasmaet i den betydning, August Weismann). I germplasmen er der molekyler syntetiseret af moderorganismen, der bestemmer transformationen af ​​embryonale celler i AUC. Disse embryonceller, der vil danne sig i dette område under spaltning, bliver primære kønsceller. Denne metode til bogmærker PPK kan kaldes "præformation"(se præformisme), da CPD udvikler som det var fra en klar bud, der oprindeligt eksisterede i ægcellen (nemlig fra germplasmen).

Til den anden metode til lægning af PPK (karakteristisk for andre fisk, tailed amfibier, firben, krokodiller, skildpadder og pattedyr), betegner udtrykket "epigenesis"(se: Preformation og epigenese). I disse dyr er dannelsen af ​​AUC ikke forudbestemt ved den oprindelige mærkning af ægget,og det er allerede sat under udvikling – det "selvorganiserer" ved hjælp af kemiske signaler, der udveksler kimcellerne (sådan forstår de fleste af kroppens strukturer, se børns spørgsmål. Hvordan cellerne forstår at nogle skal blive hår, andre knogler, andre kan blive hjerner mv. p.? Og fra hvilket center får de kommandoer?).

At dømme ved fordelingen af ​​disse to måder at lægge PPK på det evolutionære træ på var oprindeligt for hvirveldyrsepigenese karakteristisk, men efterfølgende opnåede nogle grupper uafhængigt germplasma og skiftede til præformation (Johnson et al., 2003. Regulativ kimcelle specifikation i axolotl-embryoner: et primitivt træk bevaret i pattedyrslinien).

Evolutionære linjer, der er gået til præformationen, er som regel mere forskelligartede i morfologi og omfatter et større antal arter end de tilhørende grupper, der bevarer den oprindelige epigenese for hvirveldyr. For eksempel af alle fiskene er den mest forskelligartede gruppe den knoglede fisk, som er præget af præformation; Tailless amfibier er mere forskelligartede end kaudat, fugle er mere forskelligartede end krokodiller mv. Dette tyder på, at overgangen til præformation accelererer speciering og morfologisk udvikling.

Det er muligt at foreslå en mulig mekanisme til en sådan acceleration.Dyrets struktur bestemmes i sidste ende af det komplekse samspil mellem genregulerende kaskader, der styrer den embryonale udvikling. Disse kaskader er ret sammenflettet og indviklet. Deres nøglekomponenter er transkriptionsfaktorer, morfogener, deres receptorer osv. – Som regel er de involveret i flere reguleringskredsløb på én gang og påvirker flere forskellige processer (hvorfor det er sådan, læs nyhederne. Det gen, der er ansvarlig for udviklingen af ​​farvning af sommerfugle, Elements, blev fundet den 31/08/2011). Mest sandsynligt er denne multifunktionalitet den væsentligste årsag til deres evolutionære konservatisme: jo større er proteinet af forskellige funktioner, jo mindre chance for, at en tilfældig mutation vil være harmløs.

Alle disse tæt sammenvævede, gensidigt påvirket genregulerende netværk, i teorien, bør i høj grad forstyrre hinandens evolution. Hvis et behov pludselig forsvinder i en af ​​de regulerende konturer af embryonisk udvikling, fjerner dette nogle begrænsninger, og nye muligheder åbner op for morfologisk udvikling.

I teorien er det præcis, hvad der skal ske, når man flytter fra den "epigenetiske" måde at lægge PPK'en på på "preformisten".En særlig reguleringskaskade til dannelse af PPK under embryogenese er ikke længere nødvendig (nu er alle de nødvendige instruktioner forud lagt direkte ind i æggens cytoplasma), og derfor åbner mere frihed for udviklingen af ​​andre regulerende kaskader, der styrer udviklingen.

For at teste denne ide besluttede biologer fra University of Nottingham (UK) og University of Florida (USA) at finde ud af, hvordan overgangen til præformationen påvirker molekylær evolutionshastigheden, det vil sige graden af ​​akkumulering af genetiske ændringer. For at kunne gøre dette analyserede forfatterne millioner af fragmenter af proteinkodende gener (se: Udtrykt sekvens tag) af mere end 140 ryggradsarter, der repræsenterer fire grupper, der uafhængigt skiftede til præformationer (knogler, slanger, fugle, frøer) samt grupper, der forblev forpligtet over forfædrene epigenese (stur, pattedyr, krokodiller, skildpadder, firben, salamandere).

Data blev analyseret på flere måder. En tilgang var at opbygge evolutionære træer til individuelle gener. For hvert træ blev generne af fire sorter af hvirveldyr taget, hvilket repræsenterer to søstergrupper, der adskiller sig i vejen for at lægge CPD (for eksempel,tailed og tailless amfibier), en fjernere gruppe (pattedyr) og en "ekstern", en meget fjern gruppe (fx benfisk).

For de fleste af generne er der naturligvis træer, der falder sammen med de aktuelle gruppers reelle evolutionshistorie (figur 2, øverst til venstre). Men for nogle gener blev de "forkerte" træer opnået, hvilket også er helt forventet (figur 2, til venstre i midten og nedenunder). I dette tilfælde grupperer "højre" træet hale-tailed amfibier med tailless, og de "forkerte" træer er af to sorter. I det første tilfælde er de tailed amfibier grupperet med pattedyr, og de tailless er adskilt, i modsat fald er de tailless dem grupperet med pattedyr.

Fig. 2. Resultaterne af analysen af ​​evolutionære træer opbygget på separate gener af repræsentanter for de caudate og tailless amfibier og pattedyr (benfisk blev anvendt som den eksterne gruppe). Til venstre Tre mulige typer træer er vist: en "korrekt", der svarer til disse gruppers evolutionære historie (tailed amfibier er grupperet med tailless), og to "forkerte" grupper (med pattedyr er en af ​​to grupper af amfibier grupperet). Til højre – den relative hyppighed af tilfælde, hvor genet af denne amfibie blev fejlagtigt grupperet med genet for et pattedyr og ikke en anden amfibie. Tailless amfibier, præget af præformation, fremhæves. rød, tailed, karakteriseret ved epigenese – blå. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Det viste sig, at fejlagtige træer af den første type opnås flere gange oftere end den anden. Med andre ord kombineres generne af de tailed amfibier hyppigere med pattedyrsgenerne end de genstande af de søde amfibier.

Dette resultat betyder selvfølgelig ikke, at tritoner for nogle gener er faktisk tættere på pattedyr end frøer. Han siger noget andet: en systematisk fejl i opførelsen af ​​træer til individuelle gener. Sådanne fejl skyldes som regel de forskellige molekylære evolutionsgrader i de undersøgte grupper. Denne effekt er kendt som den "lange grenattraktion" (se Long Branch Attraction). I dette tilfælde anvendte opførelsen af ​​træer to "præformistiske" grupper (knogler og frøer), hvis molekylære udvikling var højere og to "epigenetiske" (pattedyr og tailed amfibier), hvor gener ændrede sig langsomt.Som følge heraf trækkede de lange grene af fisk og frøer i træk (32%) hen mod hinanden, og derfor nærede de korte grene af pattedyr og salamanders fejl.

En anden fremgangsmåde, som forfatterne anvendte, var at direkte bedømme mængden af ​​molekylær evolution i tripler af gener taget fra to søstersegmenter med forskellige måder at lægge ned på CPD og fra den tredje (ydre) gruppe. Med lige store udviklingshastigheder bør antallet af forskelle mellem hver af søstergrupperne og den ydre gruppe være den samme. Dette resultat blev imidlertid kun opnået for 57% af gener. For andre gener var mængden af ​​molekylær evolution væsentligt anderledes. Samtidig udviklede generne i arten med "preformist" bogmærket PPK hurtigere i 41% af tilfældene og med "epigenetiske" fanen – kun i 2%.

Desuden viste det sig, at i en af ​​de "præformistiske" arter undersøgt, er andelen af ​​gener, der udviklede sig ved en forhøjet sats, større end den af ​​nogen af ​​de "epigenetiske" arter. Nogle andre egenskaber (såsom genomstørrelse, levetid, generationsvarighed) korrelerer også med molekylær evolutionshastighed, men disse korrelationer er meget svage.De går ikke til nogen sammenligning med den strenge afhængighed, som forfatterne fandt mellem evolutionens tempo og metoden til at lægge PPK.

Tilsyneladende øgede overgangen til præformation virkelig molekylær evolution i alle undersøgte grupper af hvirveldyr, hvor en sådan overgang forekom: i knogler, sømløs amfibier, slanger og fugle. Derudover viste forfatterne, at andelen af ​​"tidlige" gener (dvs. dem, der begynder at arbejde tidligt under ontogenese), øges blandt de gener, der udvikler sig i et accelereret tempo i "pre-reform" -grupperne.

Således er hypotesen om, at opgivelsen af ​​den epigenetiske metode til initiering af CPD fjerner visse begrænsninger, der nedsætter evolutionen af ​​ontogenese, blevet modificeret ved en vægtig bekræftelse.

Kilde: Teri Evans, Christopher M. Wade, Frank A. Chapman, Andrew D. Johnson og Matthew Loose. Acquisition of Germ Plasm Accelererer Vertebrat Evolution // Videnskab. 2014. V. 344. P. 200-203.

Alexander Markov


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: :???: :?: :!: