Эгоист сайт: Я ЭГОИСТ — Магазин Мужской Одежды со стилистом в Москве | Мужская одежда

Текущие просмотры

Если статьи «Эгоистичная ДНК» положили начало серьезному изучению эгоистичных генетических элементов, то в последующие десятилетия произошел взрыв теоретических достижений и эмпирических открытий.Леда Космидес и Джон Туби написали знаменательный обзор о конфликте между наследуемыми от матери цитоплазматическими генами и ядерными генами, наследуемыми от двух родителей [28]. В документе также содержится всестороннее введение в логику геномных конфликтов, предвещая многие темы, которые позже станут предметом большого количества исследований. Затем, в 1988 году, Джон Х. Веррен и его коллеги написали первый крупный эмпирический обзор по этой теме. [1] Этот документ достиг трех вещей. Во-первых, он ввел термин «эгоистичный генетический элемент», положив конец иногда сбивающей с толку разнообразной терминологии (эгоистичные гены, ультраэгоистичные гены, эгоистичная ДНК, паразитическая ДНК, геномные преступники).Во-вторых, он формально определил концепцию эгоистичных генетических элементов. Наконец, это была первая статья, в которой собраны все различные виды эгоистичных генетических элементов, известных в то время (например, геномный импринтинг не был рассмотрен). В конце 1980-х большинство молекулярных биологов считали эгоистичный генетический элемент исключением, и что геномы лучше всего рассматривать как высокоинтегрированные сети, оказывающие последовательное влияние на приспособленность организма. В 2006 году, когда Остин Берт и Роберт Триверс опубликовали первую длинную книгу по этой теме, всеобъемлющую статью, которая остается основным источником по этой теме, ситуация изменилась.Хотя их роль в эволюции долгое время оставалась спорной, в недавнем обзоре, спустя столетие после их первого открытия, Уильям Р. Райс пришел к выводу, что «ничто в генетике не имеет смысла, кроме как в свете геномных конфликтов» [29].

Логика эгоистичных генетических элементов

Хотя эгоистичные генетические элементы демонстрируют удивительное разнообразие способов, которыми они способствуют собственной передаче, можно сделать некоторые обобщения об их биологии. В классическом обзоре 2001 года Грегори Д.Д. Херст и Джон Х.Веррен предложил два «правила» эгоистичных генетических элементов [4].

Правило 1: Распространение эгоистичных генетических элементов требует пола и аутбридинга

Половое размножение предполагает смешение генов двух особей. Согласно закону сегрегации Менделя, аллели в организме, воспроизводящемся половым путем, имеют 50% -ную вероятность передачи от родителей к потомству. Поэтому мейоз иногда называют «справедливым» [30].

Ожидается, что в сильно самооплодотворяющихся или бесполых геномах будет меньше конфликтов между эгоистичными генетическими элементами и остальной частью генома хозяина, чем в геномах с ауткроссингом.[31–33] Тому есть несколько причин. Во-первых, секс и ауткроссинг помещают эгоистичные генетические элементы в новые генетические линии. Напротив, в высокосамо-эгоистичной или асексуальной линии любой эгоистичный генетический элемент по существу застревает в этой линии, что должно увеличивать различия в приспособленности между людьми. Повышенная вариативность должна привести к более сильному очищающему отбору у эгоистов / асексуалов, поскольку линия без эгоистичных генетических элементов должна превзойти линию с эгоистичным генетическим элементом.Во-вторых, повышенная гомозиготность селферов устраняет возможность конкуренции среди гомологичных аллелей. В-третьих, теоретическая работа показала, что большее неравновесие по сцеплению при самоопылении по сравнению с ауткроссингом геномов может в некоторых, хотя и довольно ограниченных, случаях вызывать отбор для снижения скорости транспозиции [34]. В целом, это рассуждение приводит к предсказанию, что асексуалы / эгоисты должны испытывать меньшую нагрузку эгоистичных генетических элементов. Одно предостережение заключается в том, что эволюция самоопыления связана с сокращением эффективной численности популяции.[35] Уменьшение эффективного размера популяции должно снизить эффективность отбора и, следовательно, приводит к противоположному прогнозу: более высокое накопление эгоистичных генетических элементов у самозабвенных по сравнению с ауткроссерами. Эмпирические доказательства важности пола и ауткроссинга исходят из множества эгоистичных генетических элементов, включая мобильные элементы [36,37], саморекламы плазмиды [38] и В-хромосомы [39].

Правило 2: У гибридов часто выявляется наличие эгоистичных генетических элементов

Присутствие эгоистичных генетических элементов может быть трудно обнаружить в естественных популяциях.Вместо этого их фенотипические последствия часто проявляются у гибридов. Первой причиной этого является то, что некоторые эгоистичные генетические элементы быстро закрепляются, и поэтому фенотипические эффекты не будут разделять их в популяции. Однако события гибридизации будут давать потомство с эгоистичными генетическими элементами и без них и, таким образом, обнаруживать их присутствие. Вторая причина заключается в том, что в геномах хозяина развились механизмы подавления активности эгоистичных генетических элементов, например, подавление молчания мобильных элементов, вводимое малой РНК.[40] Совместная эволюция между эгоистичными генетическими элементами и их подавителями может быть быстрой и следовать динамике Красной Королевы, которая может маскировать присутствие эгоистичных генетических элементов в популяции. Гибридное потомство, с другой стороны, может унаследовать данный эгоистичный генетический элемент, но не соответствующий супрессор, и таким образом проявлять фенотипический эффект эгоистичного генетического элемента. [41,42]

Примеры эгоистичных генетических элементов

Расщепители сегрегации

Некоторые эгоистичные генетические элементы манипулируют процессом генетической передачи в своих интересах и поэтому в конечном итоге чрезмерно представлены в гаметах (рис. 2).Такое искажение может происходить по-разному, и общий термин, который охватывает все из них, — это искажение сегрегации. Некоторые элементы могут предпочтительно передаваться в яйцеклетках, а не в полярных тельцах во время мейоза, когда только первые будут оплодотворены и переданы следующему поколению. Любой ген, который может управлять шансами попасть в яйцо, а не в полярное тело, будет иметь преимущество в передаче, и его частота будет увеличиваться в популяции.

Искажение сегрегации может происходить несколькими способами.Когда этот процесс происходит во время мейоза, это называется мейотическим драйвом. Многие формы искажения сегрегации возникают при формировании мужской гамет, когда наблюдается различная смертность сперматид в процессе созревания сперматозоидов или спермиогенеза. Расщепитель сегрегации (SD) в Drosophila melanogaster является наиболее изученным примером, и он включает белок ядерной оболочки Ran-GAP и массив X-связанных повторов, называемый Responder (Rsp), где аллель SD Ran-GAP способствует его развитию. собственная передача только при наличии Rsp-чувствительного аллеля на гомологичной хромосоме.[43–48] SD действует, чтобы убить RSP ^{чувствительных} сперматозоидов в постмейотическом процессе (следовательно, это не строго говоря мейотический драйв). Такие системы могут иметь интересную динамику «камень-ножницы-бумага», колеблющуюся между гаплотипами , нечувствительными к SD-RSP ^{, нечувствительными к SD + -RSP и чувствительными к SD + -RSP . Гаплотип , чувствительный к SD-RSP , не виден, потому что он, по сути, совершает самоубийство.}

Когда нарушение сегрегации действует на половые хромосомы, они могут исказить соотношение полов.Система SR в Drosophila pseudoobscura , например, находится на X-хромосоме, и самцы X ^SR / Y производят только дочерей, тогда как самки подвергаются нормальному мейозу с менделевскими пропорциями гамет [49,50]. приводить к фиксации предпочтительный аллель, за исключением того, что в большинстве случаев, когда эти системы были идентифицированы, управляемому аллелю противостоит какая-то другая селективная сила. Одним из примеров является летальность t-гаплотипа у мышей [51], другим является влияние на фертильность самцов системы соотношения полов в D . pseudoobscura . [49]

Самонаводящиеся эндонуклеазы

Феномен, тесно связанный с нарушением сегрегации, — хоминг-эндонуклеазы. [52–54] Это ферменты, которые разрезают ДНК специфическим для последовательности образом, и эти разрезы, обычно двухцепочечные разрывы, затем «заживают» за счет регулярной репарации ДНК. машины. Самонастраивающиеся эндонуклеазы встраиваются в геном в сайт, гомологичный первому сайту встраивания, что приводит к превращению гетерозиготы в гомозиготу, несущую копию хоминговой эндонуклеазы на обеих гомологичных хромосомах (рис. 3).Это придает самонаводящимся эндонуклеазам динамику частоты аллелей, довольно похожую на систему искажения сегрегации, и, как правило, ожидается, что они будут фиксироваться в популяции, если не противодействовать сильному уравновешивающему отбору. Технология CRISPR-Cas9 позволяет искусственно создавать самонаводящиеся эндонуклеазные системы. Эти так называемые системы «генного драйва» представляют собой сочетание больших перспектив для биоконтроля, но также и потенциального риска [55,56] (см. Ниже).

Элементы сменные

Мобильные элементы (TE) включают широкий спектр последовательностей ДНК, каждая из которых может перемещаться в новые места в геноме своего хозяина.Транспозоны делают это с помощью прямого механизма вырезания и вставки, тогда как ретротранспозоны должны продуцировать промежуточную РНК для перемещения. TE были впервые обнаружены у кукурузы Барбарой МакКлинток в 1940-х годах [17], и их способность проявляться в геноме как в активном, так и в неактивном состоянии была также впервые выяснена МакКлинтоком [57]. TE были названы эгоистичными генетическими элементами, потому что они в некоторой степени контролируют свое собственное распространение в геноме (рис. 4). Большинство случайных вставок в геном кажутся относительно безвредными, но они могут нарушить критические функции генов с разрушительными результатами. [58] Например, ТЕ были связаны с различными заболеваниями человека, от рака до гемофилии. [59] ТЕ, которые стремятся избежать нарушения жизненно важных функций в геноме, как правило, остаются в геноме дольше, и, следовательно, мы с большей вероятностью найдем их в безобидных местах.

Как растения-хозяева, так и животные-хозяева разработали средства для уменьшения воздействия TE на приспособленность, как путем прямого подавления их молчания, так и за счет снижения их способности транспонировать в геноме. Похоже, что хозяева в целом довольно толерантны к ТЕ в своих геномах, поскольку значительная часть (30–80%) генома многих животных и растений — это ТЕ.[60,61] Когда хозяин способен остановить свое движение, TE можно просто заморозить на месте, и затем им могут потребоваться миллионы лет, чтобы мутировать. Пригодность TE — это комбинация его способности увеличиваться в количестве в пределах генома, уклоняться от защиты хозяина, а также избегать слишком резкого ухудшения приспособленности хозяина. Эффект ТЕ в геноме не совсем эгоистичный. Поскольку их внедрение в геном может нарушить функцию гена, иногда эти нарушения могут иметь положительное значение для приспособленности хозяина.Многие адаптивные изменения у Drosophila [62] и собак [63], например, связаны со вставками TE.

B-хромосомы

B относятся к хромосомам, которые не требуются для жизнеспособности или фертильности организма, но существуют в дополнение к нормальному (A) набору [64]. Они сохраняются в популяции и накапливаются, потому что обладают способностью распространять свою собственную передачу независимо от А-хромосом (рис. 5). Они часто различаются по количеству копий между особями одного и того же вида.

Рис. 5. Генетические конфликты часто возникают из-за того, что не все гены наследуются одинаково.

Примеры включают цитоплазматическую мужскую стерильность (см. Эгоистичные митохондрии). В то время как митохондриальные и хлоропластные гены обычно наследуются по материнской линии, В-хромосомы могут преимущественно передаваться как от мужчин, так и от женщин.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1007700.g005

B-хромосомы были впервые обнаружены более века назад. [65] Хотя обычно хромосомы меньше нормальных, их бедная генами, богатая гетерохроматином структура сделала их видимыми для ранних цитогенетических методов.В-хромосомы были тщательно изучены и, по оценкам, встречаются у 15% всех видов эукариот. [66] В целом, они, по-видимому, особенно распространены среди растений эвдикота, редко встречаются у млекопитающих и отсутствуют у птиц. В 1945 году они были предметом классической статьи Гуннара Остергрена «Паразитическая природа дополнительных фрагментов хромосом», где он утверждает, что изменчивость в Обилие B-хромосом между видами и внутри них объясняется паразитическими свойствами Bs (см. выше) [14]. Впервые генетический материал был назван «паразитическим» или «эгоистичным».Число B-хромосом положительно коррелирует с размером генома [67], а также связано с уменьшением яйценоскости у кузнечика Eyprepocnemis plorans [68]

Эгоистичные митохондрии

Геномные конфликты часто возникают из-за того, что не все гены наследуются одинаково. Вероятно, лучшим примером этого является конфликт между монородительскими (обычно, но не всегда материнскими) наследуемыми митохондриальными и двуродительскими ядерными генами. Действительно, одно из первых четких заявлений о возможности геномного конфликта было сделано английским ботаником Дэном Льюисом в отношении конфликта между наследуемыми по материнской линии митохондриальными и наследуемыми от двух родителей ядерными генами по поводу распределения пола у гермафродитных растений (рис. 5).[16]

Одна клетка обычно содержит несколько митохондрий, что создает ситуацию конкуренции за передачу. Однородительское наследование было предложено как способ уменьшить возможность распространения эгоистичных митохондрий, поскольку оно гарантирует, что все митохондрии имеют один и тот же геном, тем самым устраняя возможность конкуренции. [28,69,70] Эта точка зрения остается широко распространенной, но была оспорена. [71] Почему наследование в конечном итоге стало материнским, а не отцовским, также много обсуждается, но одна из ключевых гипотез заключается в том, что частота мутаций у женщин ниже, чем у мужских гамет.[72]

Конфликт между митохондриальными и ядерными генами особенно легко изучать у цветковых растений. [73,74] Цветковые растения обычно являются гермафродитами [75], и конфликт, таким образом, происходит внутри одного человека. Митохондриальные гены обычно передаются только через женские гаметы, и поэтому, с их точки зрения, производство пыльцы ведет в эволюционный тупик. Любая митохондриальная мутация, которая может повлиять на количество ресурсов, которые растение вкладывает в женскую репродуктивную функцию за счет мужской репродуктивной функции, увеличивает его собственные шансы на передачу.Цитоплазматическая мужская стерильность — это потеря мужской фертильности, обычно из-за потери функционального производства пыльцы в результате митохондриальной мутации. [76] У многих видов, у которых наблюдается цитоплазматическая мужская стерильность, ядерный геном развил так называемые гены-восстановители, которые подавляют эффекты генов цитоплазматической мужской стерильности и восстанавливают мужскую функцию, делая растение снова гермафродитом. [77,78]

Коэволюционная гонка вооружений между эгоистичными митохондриальными генами и ядерными компенсаторными аллелями часто может быть обнаружена путем скрещивания особей из разных видов, которые имеют разные комбинации генов мужского бесплодия и ядерных реставраторов, что приводит к гибридам с несоответствием.[79]

Еще одним следствием материнской наследования митохондриального генома является так называемое проклятие матери. [80] Поскольку гены митохондриального генома наследуются строго по материнской линии, мутации, полезные для женщин, могут распространяться в популяции, даже если они вредны для мужчин [81]. Явный скрининг плодовых мушек позволил успешно выявить такие нейтральные для самок, но вредные для самцов мутации мтДНК. [82,83] Кроме того, в статье 2017 года показано, как была выявлена ​​митохондриальная мутация, вызывающая наследственную оптическую невропатию Лебера, заболевание глаз со стороны мужчин. одним из Filles du roi , которые прибыли в Квебек, Канада, в 17 веке и впоследствии распространились среди многих потомков. [84]

Геномный импринтинг

Другой вид конфликта, с которым сталкиваются геномы, — это конфликт между матерью и отцом за контроль экспрессии генов в потомстве, включая полное молчание одного родительского аллеля. Из-за различий в статусе метилирования гамет существует врожденная асимметрия материнского и отцовского геномов, которая может использоваться для управления дифференциальной экспрессией родительского происхождения. Это приводит к нарушению правил Менделя на уровне экспрессии, а не передачи, но если экспрессия гена влияет на приспособленность, это может привести к аналогичному конечному результату.

Импринтинг кажется дезадаптивным явлением, поскольку по сути означает отказ от диплоидии, и гетерозиготы по одному дефектному аллелю оказываются в беде, если активный аллель — тот, который замалчивается. Некоторые заболевания человека, такие как синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана, связаны с дефектами импринтированных генов. Асимметрия материнской и отцовской экспрессии предполагает, что какой-то конфликт между этими двумя геномами может управлять эволюцией импринтинга. В частности, некоторые гены плацентарных млекопитающих демонстрируют экспрессию отцовских генов, которые максимизируют рост потомства, и материнских генов, которые имеют тенденцию сдерживать этот рост (рис. 6).Было выдвинуто множество других конфликтных теорий эволюции геномного импринтинга. [85,86]

Рис. 6. Igf2 является примером геномного импринтинга.

У мышей ген инсулиноподобного фактора роста 2, Igf2 , который связан с выработкой гормонов и повышенным ростом потомства, экспрессируется отцов (материнское молчание) и ген рецептора инсулиноподобного фактора роста 2 Igf2r , который связывает ростовой белок и, таким образом, замедляет рост, экспрессируется по материнской линии (отцовское молчание).Потомство нормального размера, когда присутствуют оба гена или оба гена отсутствуют. Когда матерински экспрессируемый ген ( Igf2r ) экспериментально нокаутирован, потомство имеет необычно большой размер, а когда отцовский экспрессируемый ген ( Igf2 ) нокаутируется, потомство необычно маленькое.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1007700.g006

В то же время геномный или сексуальный конфликт — не единственные возможные механизмы развития импринтинга.[87] Было описано несколько молекулярных механизмов геномного импринтинга, и все они имеют тот аспект, что материнские и отцовские аллели имеют различные эпигенетические метки, в частности степень метилирования цитозинов. Что касается геномного импринтинга, на который следует обратить внимание, является то, что он довольно неоднороден, с разными механизмами и различными последствиями наличия экспрессии единственного родителя по происхождению. Например, изучение статуса импринтинга у близкородственных видов позволяет увидеть, что ген, который перемещается путем инверсии в непосредственной близости от импринтированных генов, сам может приобрести импринтированный статус, даже если импринтинг не приводит к определенным последствиям для приспособленности.

Зеленая Борода

Ген зеленой бороды — это ген, который обладает способностью распознавать свои копии у других людей, а затем заставляет своего носителя действовать преимущественно по отношению к таким людям. Само название происходит от мысленного эксперимента, впервые представленного Биллом Гамильтоном [88], а затем оно было разработано и получило нынешнее название Ричардом Докинзом в The Selfish Gene . Смысл мысленного эксперимента состоял в том, чтобы подчеркнуть, что с точки зрения гена значение имеет не общегеномное родство (обычно это то, как работает родственный отбор, т.е. кооперативное поведение направлено на родственников), но родство в определенном локусе, которое лежит в основе социального поведения.

Следуя Докинзу, зеленая борода обычно определяется как ген или набор тесно связанных генов, который имеет три эффекта [89,90]:

1. Он дает носителям гена фенотипический ярлык, такой как зеленая борода.
2. Перевозчик может распознать других лиц с таким же ярлыком.
3. Носитель затем ведет себя альтруистично по отношению к людям с той же меткой (рис. 7).

Greenbeards, который долгое время считался забавной теоретической идеей с ограниченной возможностью реального существования в природе. Однако с момента его создания было выявлено несколько примеров, в том числе дрожжи [91], слизевики [92] и огненные муравьи [93].

Были некоторые дискуссии о том, следует ли считать гены зеленой бороды эгоистичными генетическими элементами. [94–96] Конфликт между локусом зеленой бороды и остальной частью генома может возникнуть из-за того, что во время данного социального взаимодействия между двумя индивидами родство в локусе зеленой бороды может быть выше, чем в других локусах генома.Как следствие, выполнение дорогостоящего социального действия может быть в интересах локуса зеленой бороды, но не в интересах остальной части генома.

Последствия для множества эгоистичных генетических элементов

Вымирание видов

Возможно, один из самых ясных способов увидеть, что процесс естественного отбора не всегда имеет организменную приспособленность, поскольку единственным движущим фактором является то, что эгоистичные генетические элементы действуют без ограничений. В таких случаях эгоистичные элементы могут, в принципе, привести к исчезновению видов.На эту возможность указал еще в 1928 году Сергей Гершенсон [13], а затем в 1967 году Билл Гамильтон [97] разработал формальную популяционно-генетическую модель для случая искажения сегрегации половых хромосом, приводящего популяцию к вымиранию. В частности, если эгоистичный элемент должен иметь возможность управлять производством сперматозоидов, так что самцы, несущие элемент на Y-хромосоме, производят избыток сперматозоидов, несущих Y, то при отсутствии какой-либо противодействующей силы это в конечном итоге приведет к в Y-хромосоме происходит фиксация в популяции, что приводит к чрезвычайно смещенному по мужскому признаку соотношению полов.У экологически уязвимых видов такое предвзятое соотношение полов означает, что преобразование ресурсов в потомство становится очень неэффективным, вплоть до риска исчезновения.

Вид

Было показано, что эгоистичные генетические элементы играют роль в видообразовании. [41,42,98] Это могло произойти из-за того, что присутствие эгоистичных генетических элементов может привести к изменениям в морфологии и / или истории жизни, но способами, которыми совместно Особое внимание уделяется эволюции между эгоистичными генетическими элементами и их супрессорами, которые могут вызвать репродуктивную изоляцию из-за так называемой несовместимости Бейтсона-Добжанского-Мюллера.

Ранним ярким примером гибридного дисгенеза, вызванного эгоистичным генетическим элементом, был элемент P у Drosophila . [99,100] Если самцы, несущие элемент P , скрещивались с самками, у которых он отсутствовал, полученное потомство страдало от снижения приспособленности. . Однако потомство реципрокного скрещивания было нормальным, как и следовало ожидать, поскольку piRNAs наследуются по материнской линии. Элемент P обычно присутствует только в диких штаммах, но не в лабораторных штаммах D . melanogaster , поскольку последние были собраны до того, как в вид были введены элементы P , вероятно, от близкородственного вида Drosophila . История элемента P также является хорошим примером того, как быстрая совместная эволюция между эгоистичными генетическими элементами и их глушителями может привести к несовместимости на коротких эволюционных временных масштабах, всего за несколько десятилетий.

С тех пор было продемонстрировано несколько других примеров эгоистичных генетических элементов, вызывающих репродуктивную изоляцию.Скрещивание разных видов Arabidopsis приводит как к более высокой активности мобильных элементов [101], так и к нарушению импринтинга [102], оба из которых связаны со снижением приспособленности полученных гибридов. Также было показано, что гибридный дисгенез вызван центромерным движением у ячменя [103], а у некоторых видов покрытосеменных — мито-ядерным конфликтом. [104]

Вариация размера генома

Попытки понять необычайные вариации в размере генома (C-значение) — животные различаются в 7000 раз, а наземные растения — примерно в 2400 раз — имеют долгую историю в биологии. [105] Однако эта вариация плохо коррелирует с числом генов или какой-либо мерой сложности организма, что привело к тому, что К.А. Томас ввел термин «парадокс С-значения» в 1971 году. [106] Открытие некодирующей ДНК разрешило некоторые парадоксы, и большинство современных исследователей теперь используют термин «загадка C-значения». [107]

В частности, было показано, что два вида эгоистичных генетических элементов способствуют изменению размера генома: В-хромосомы и мобильные элементы. [67,108] Вклад мобильных элементов в геном особенно хорошо изучен у растений.[60,61,109] Ярким примером является то, как геном модельного организма Arabidopsis thaliana содержит такое же количество генов, что и у норвежской ели ( Picea abies ), около 30 000, но накопление транспозонов означает, что геном последней примерно в 100 раз больше. Также было показано, что изобилие мобильных элементов вызывает необычно большие геномы, обнаруженные у саламандр. [110]

Присутствие множества мобильных элементов во многих геномах эукариот было центральной темой оригинальных эгоистичных статей о ДНК, упомянутых выше (см. Концептуальные разработки).Большинство людей быстро восприняли основную идею этих работ о том, что существование мобильных элементов можно объяснить эгоистичным отбором на уровне генов, и нет необходимости прибегать к отбору на индивидуальном уровне. Однако идея о том, что организмы хранят мобильные элементы в качестве генетического резервуара для «ускорения эволюции» или для других регулирующих функций, сохраняется в некоторых кругах. [111] В 2012 году, когда проект ENCODE опубликовал статью, в которой утверждалось, что 80% человеческого генома может быть назначена функция, что многие интерпретировали как смерть идеи мусорной ДНК, эта дискуссия возобновилась.[112,113]

Применение эгоистичных генетических элементов в сельском хозяйстве и биотехнологии

Цитоплазматическая мужская стерильность в селекции растений

Распространенная проблема селекционеров — нежелательное самоопыление. Это особенно проблема, когда селекционеры пытаются скрестить два разных штамма, чтобы создать новый гибридный штамм. Один из способов избежать этого — ручное выхолащивание, то есть физическое удаление пыльников, чтобы сделать индивидуальный самец стерильным. Цитоплазматическое мужское бесплодие предлагает альтернативу этому трудоемкому упражнению.[114] Селекционеры скрещивают штамм, несущий мутацию цитоплазматической мужской стерильности, со штаммом, который этого не делает, причем последний действует как донор пыльцы. Если гибридное потомство должно быть получено для получения семян (например, кукурузы) и, следовательно, должно иметь мужскую фертильность, родительские штаммы должны быть гомозиготными по аллелю восстановителя. Напротив, у видов, которые собирают для выращивания овощей, таких как лук, это не проблема. Этот метод использовался для выращивания самых разных культур, включая рис, кукурузу, подсолнечник, пшеницу и хлопок.[115]

PiggyBac векторов

В то время как многие мобильные элементы кажутся бесполезными для хозяина, некоторые мобильные элементы были «приручены» молекулярными биологами, чтобы их можно было вставлять и вырезать по желанию ученого. Такие элементы особенно полезны для выполнения генетических манипуляций, таких как вставка чужеродной ДНК в геномы различных организмов.

Отличным примером этого является PiggyBac, мобильный элемент, который может эффективно перемещаться между векторами клонирования и хромосомами с использованием механизма «вырезать и вставить».[116] Исследователь конструирует элемент PiggyBac со встроенной желаемой полезной нагрузкой, а второй элемент (транспозаза PiggyBac), расположенный на другом плазмидном векторе, может быть котрансфицирован в клетку-мишень. Транспозаза PiggyBac разрезает инвертированные концевые повторяющиеся последовательности, расположенные на обоих концах вектора PiggyBac, и эффективно перемещает содержимое из исходных сайтов и интегрирует их в хромосомные положения, где обнаруживается последовательность TTAA. Три вещи, которые делают PiggyBac таким полезным, — это удивительно высокая эффективность этой операции вырезания и вставки, его способность принимать полезные данные размером до 200 КБ и его способность оставлять идеально бесшовную вырезку из геномного сайта, не оставляя никаких следов. последовательности или мутации позади.[117]

Системы генного привода CRISPR и самонаводящиеся эндонуклеазы

CRISPR позволяет конструировать искусственные хоминговые эндонуклеазы, где конструкция продуцирует направляющие РНК, которые разрезают целевой ген, а гомологичные фланкирующие последовательности затем позволяют встраивать ту же конструкцию, несущую ген Cas9 и направляющие РНК. Такие генные побуждения должны иметь возможность быстро распространяться в популяции (см. Ниже раздел о теории генных побуждений), и было предложено одно практическое применение такой системы к популяции вредителей, что значительно сокращает ее распространение. числа или даже вождения его вымерли.[56] Это еще не было предпринято в полевых условиях, но конструкции генного драйва были протестированы в лаборатории, и была продемонстрирована способность вставлять в гомологичный аллель дикого типа в гетерозиготах для генного драйва. [55] К сожалению, двухцепочечный разрыв, вносимый Cas9, можно исправить путем гомологически направленной репарации, которая сделает точную копию диска, или с помощью негомологичного соединения концов, что приведет к появлению «устойчивых» аллелей, неспособных к дальнейшему размножению. .Когда Cas9 экспрессируется вне мейоза, кажется, что преобладает негомологичное соединение концов, что делает это самым большим препятствием для практического применения генных влечений. [118]

Математическая теория эгоистичных генетических элементов

Большая часть путаницы в отношении идей об эгоистичных генетических элементах связана с использованием языка и способом описания элементов и их эволюционной динамики. [119] Прелесть математических моделей в том, что мы все можем согласиться с допущениями и правилами для создания математических утверждений об ожидаемой динамике элементов в популяциях, а затем исследовать последствия наличия таких элементов в геномах.Математика может очень четко определять различные классы элементов по их точному поведению в популяции, избегая отвлекающих слов о внутренних надеждах и желаниях жадных эгоистичных генов. Есть много хороших примеров этого подхода, и мы сосредоточимся на нарушителях сегрегации, системах генного привода и мобильных элементах.

Расщепители сегрегации

Мышиный t-аллель является классическим примером системы, искажающей сегрегацию, которая была смоделирована очень подробно.[51,120] Гетерозиготы по t-гаплотипу производят> 90% своих гамет, несущих t (нарушение сегрегации, см. Выше), а гомозиготы по t-гаплотипу погибают в виде эмбрионов. Это может привести к стабильному полиморфизму с равновесной частотой, которая зависит от силы влечения и прямого воздействия t-гаплотипов на приспособленность. Это обычная тема в математике нарушителей сегрегации: практически каждый известный нам пример влечет за собой уравновешивающий избирательный эффект, без которого аллель со смещенной передачей перейдет к фиксации, и искажение сегрегации больше не будет проявляться.Когда половые хромосомы подвергаются искажению сегрегации, соотношение полов в популяции изменяется, что делает эти системы особенно интересными. Два классических примера искажения сегрегации с участием половых хромосом включают Х-хромосомы «Полового соотношения» Drosophila pseudoobscura [49] и супрессоры влечения хромосомы Y Drosophila mediopunctata . [121] Ключевым моментом в теории нарушителей сегрегации является то, что только потому, что есть эффекты приспособленности, действующие против искажателя, это не гарантирует, что будет стабильный полиморфизм.Фактически, некоторые драйверы половых хромосом могут производить частотную динамику с дикими колебаниями и циклами. [122]

Системы генного привода

Идея распространения гена в популяции в качестве средства контроля численности населения на самом деле довольно старая, и модели динамики введенных составных хромосом восходят к 1970-м годам. [123] Совсем недавно теория популяционной генетики для самонаводящихся эндонуклеаз и основанных на CRISPR генных движений стала намного более продвинутой. [52,124] Важным компонентом моделирования этих процессов в естественных популяциях является рассмотрение генетической реакции в целевой популяции.Во-первых, любая естественная популяция будет иметь постоянную генетическую изменчивость, и эта вариация вполне может включать полиморфизм в последовательностях, гомологичных направляющим РНК, или в плечах гомологии, которые предназначены для управления репарацией. Кроме того, разные хозяева и разные конструкции могут иметь совершенно разные скорости негомологичного соединения концов, форму репарации, которая приводит к сломанным или устойчивым аллелям, которые больше не распространяются. Полная адаптация факторов хозяина представляет собой серьезную проблему для фиксации конструкции генного драйва, и Unckless с коллегами [125] показывают, что на самом деле современные конструкции весьма далеки от способности достигать даже умеренных частот в естественных популяциях.Это еще один отличный пример, показывающий, что только потому, что элемент имеет сильное эгоистичное преимущество в передаче, его успешное распространение может зависеть от тонких конфигураций других параметров в популяции.

Элементы сменные

Чтобы смоделировать динамику мобильных элементов (TE) в геноме, нужно понимать, что элементы ведут себя как популяция в каждом геноме, и они могут переходить от одного гаплоидного генома к другому посредством горизонтального переноса.Математика должна описывать частоту и зависимости этих событий передачи. Ранее было замечено, что скорость перехода многих ТЕ зависит от количества копий, и поэтому первые модели просто использовали эмпирическую функцию для скорости транспозиции. Это имело то преимущество, что его можно было измерить экспериментально в лаборатории, но оставался открытым вопрос о том, почему скорость различается между элементами и отличается количеством копий. Стэн Сойер и Дэниел Л. Хартл [126] приспособили модели этого типа к множеству бактериальных ТЕ и получили довольно хорошее совпадение между числом копий и скоростью передачи и распространенностью ТЕ в популяции.TE у высших организмов, таких как Drosophila , имеют совсем другую динамику из-за пола, и Брайан Чарльзуорт, Дебора Чарльзуорт, Чарльз Лэнгли, Джон Брукфилд и другие [34,127,128] смоделировали эволюцию числа копий TE у Drosophila и других видов. Что впечатляет во всех этих попытках моделирования, так это то, насколько хорошо они соответствуют эмпирическим данным, учитывая, что это было за десятилетия до открытия факта, что муха-хозяин обладает мощным защитным механизмом в виде piRNA.Включение защиты хозяина вместе с динамикой TE в эволюционные модели регуляции TE все еще находится в зачаточном состоянии. [129]

В конце концов, не такой уж эгоистичный — Ключевая роль транспо

изображение: Мобильные элементы, известные как ретротранспозоны, дублируют себя с помощью механизма копирования и вставки.Было обнаружено, что десятки тысяч этих последовательностей содержат сайты связывания для белков, которые действуют как главные регуляторы развития молочных желез. посмотреть еще

Кредит: Tokyo Tech

Геном человека содержит 4,5 миллиона копий мобильных элементов (TE), так называемых эгоистичных последовательностей ДНК, способных перемещаться по геному с помощью механизмов вырезания и вставки или копирования и вставки. Составляя 30-50% всей ДНК в среднем геноме млекопитающих, эти TE традиционно рассматривались как генетические халявщики, путешествующие автостопом по геному, не принося никакой пользы организму-хозяину.Однако в последнее время ученые начали обнаруживать случаи, когда последовательности TE были кооптированы хозяином для обеспечения полезной функции, такой как кодирование части белка хозяина. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nucleic Acids Research , профессор Хиденори Нисихара предпринял один из наиболее полных на сегодняшний день анализов кооптации последовательности TE, обнаружив десятки тысяч потенциально кооптированных последовательностей TE и предположив, что они имеют сыграли ключевую роль в эволюции млекопитающих.

«Меня особенно интересовало возможное влияние ТЕ-последовательностей на эволюцию молочной железы, — отмечает доктор Нишихара, — органа, который отвечает за производство молока и, как следует из названия, является ключевой отличительной чертой млекопитающих. . » Чтобы идентифицировать потенциально кооптированные последовательности TE, доктор Нишихара использовал четыре белка — ERα, FoxA1, GATA3 и AP2γ, которые связываются с ДНК и регулируют выработку белков, участвующих в развитии молочных желез. Затем доктор Нишихара обнаружил все последовательности ДНК в геноме, с которыми связываются эти белки.Удивительно, но 20-30% всех сайтов связывания в геноме были расположены в TE, причем до 38 500 TE содержали по крайней мере один сайт связывания. Большинство из них относились к типу TE с копированием и вставкой, известному как ретротранспозон, который дублирует себя, оставляя новую копию в новом месте.

Последовательности сайтов связывания, происходящих из ТЕ, оказались более консервативными у разных видов, чем ожидалось, что указывает на то, что они сохраняются в ходе эволюции, поскольку выполняют некоторые важные функции.Доктор Нишихара считает, что эти последовательности TE были использованы в качестве энхансеров, элементов ДНК, которые увеличивают транскрипцию близлежащих генов (рис. 1). Связываясь с одним из четырех главных регуляторов развития молочных желез, эти энхансеры в конечном итоге увеличивают продукцию белков, участвующих в развитии молочных желез.

Доктор Нишихара затем исследовал, когда в эволюции млекопитающих были получены эти последовательности TE, и обнаружил две отдельные фазы приобретения: примерно 60-70% были приобретены у предков всех плацентарных млекопитающих (Eutheria), а 10-20% можно было проследить. предку обезьян Нового Света (Simiiformes) (рис.осталось 2). Вдобавок, по-видимому, была еще одна волна приобретения сайтов связывания ERα у предков мышей и крыс (Muridae) (Fig. 2, right). Т.о., обеспечивая огромное количество потенциальных сайтов связывания регуляторных элементов по всему геному, TEs, возможно, оказали существенное влияние на возникновение молочной железы и ее эволюцию у млекопитающих.

Исследование доктора Нишихары проливает свет на глубокое участие TE в эволюции регуляторных элементов молочной железы.Однако остается неясным, насколько распространен этот способ эволюции TE-обеспечиваемой регуляторной сети. Доктор Нишихара, по крайней мере, считает, что в этом отношении молочная железа не уникальна. Он отмечает, что «помимо молочных желез, у млекопитающих есть много общих черт, таких как неокортекс, закрытое вторичное небо и волосы. Я ожидаю, что будущие исследования откроют множество дополнительных видов ТЕ, которые аналогичным образом участвовали в эволюции этих особенностей. у млекопитающих «.

###

Журнал

Исследование нуклеиновых кислот

Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Генеалогическое свидетельство эпидемий эгоистичных генов

Реферат

Некоторые генетические элементы заразно распространяются в популяциях, увеличивая скорость их генетической передачи за счет других генов в геноме. Эти так называемые эгоистичные генетические элементы составляют значительную часть геномов эукариот и долгое время рассматривались как мощная эволюционная сила. Несмотря на эту точку зрения, мало что известно об эволюционной истории эгоистичных генетических элементов в естественных популяциях или их генетическом влиянии на другие части генома.Здесь мы используем генеалогии ядерных генов и генов хлоропластов у двух видов Silene , чтобы показать исторический образец отбора на хорошо известном эгоистичном генетическом элементе — цитоплазматической мужской стерильности. Мы предоставляем доказательства того, что эволюция цитоплазматической мужской стерильности характеризовалась частыми сменами мутаций в естественных популяциях, что подтверждает эпидемическую модель эволюции эгоистичных генов, когда новые мутации постоянно возникают и быстро охватывают популяции.

Существует большое количество разнообразных генетических элементов, которые инфекционно распространяются в популяциях, потому что они обладают преимуществом репликации по сравнению с другими генами в геноме.Их часто называют эгоистичными генетическими элементами, потому что их преимущество в передаче позволяет им распространяться, даже если они нейтральны или вредны для приспособленности людей, которые их носят (1). Эгоистичные генетические элементы долгое время рассматривались как мощная эволюционная сила (2), и теперь известно, что они составляют значительную часть геномов эукариот (3). В природе существует удивительное разнообразие эгоистичных генетических элементов. Они включают повторяющиеся последовательности, такие как мобильные элементы, которые автономно реплицируются в геноме.Нарушители сегрегации усиливают свою генетическую передачу, изменяя мейоз или гаметогенез, чтобы увеличить свое представительство в гаметах. Унаследованные от матери гены и паразиты, передаваемые через цитоплазму, усиливают свою генетическую передачу за счет увеличения репродуктивного распределения в пользу самок, поскольку только самки передают эти элементы следующему поколению (3, 4). Теоретические исследования показывают, что эти элементы могли быть важны для таких разнообразных явлений, как эволюция архитектуры генома, эволюция определения пола и половых хромосом, а также репродуктивная изоляция между видами (3).В этой статье мы сосредоточимся на цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС), наследуемом по материнской линии эгоистичном гене, широко распространенном среди покрытосеменных.

CMS была обнаружена у более чем 150 различных видов растений и долгое время являлась модельной системой для изучения эгоистичных генетических элементов, встречающихся в природе (5, 6). Более того, CMS считается важным промежуточным этапом в эволюции отдельных полов и широко используется в производстве гибридных семян для сельского хозяйства (5).CMS вызывается созданием химерных генов в результате перестройки митохондриального генома (5, 6). Эти химерные гены продуцируют пептиды, которые мешают развитию мужских репродуктивных органов (тычинок) (5). Поскольку митохондрии и геномы хлоропластов наследуются по материнской линии у большинства покрытосеменных, мутации в этих геномах поддерживаются естественным отбором, если они перераспределяют ресурсы на производство женских гамет, даже если это перераспределение происходит за счет производства гамет у самцов.Затем первоначальное распространение мутации CMS создает сильный отбор ядерных локусов, которые восстанавливают мужскую фертильность. Восстановленные популяции могут быть восприимчивы к инвазии со стороны новых мутаций CMS, которым противодействуют различные аллели реставраторов, и так далее. В результате классические генетические исследования природных систем часто демонстрируют сложную генетическую основу мужского бесплодия, включающую несколько различных мутаций CMS и связанных аллелей ядерных восстановителей (7–11).

Сложная генетика систем CMS затруднила изучение даже самых общих черт эволюционной динамики этих систем в естественных популяциях.Вместо этого эволюционная динамика систем CMS была исследована с использованием различных теоретических моделей (7, 12–14). Эти модели можно разделить на два общих класса, которые предсказывают качественно различную эволюционную динамику. Один класс моделей показал, что даже несмотря на то, что мутации CMS могут возникать нечасто, они поддерживаются неопределенно долго в стабильном полиморфном состоянии, возможно, с сопутствующим полиморфизмом в локусах-восстановителях (12, 13). Другой класс моделей предполагает, что происходят повторяющиеся эпидемии мутаций CMS, либо потому, что мутации CMS меняются по частоте с течением времени (14), либо потому, что популяции неоднократно заражались новыми аллелями CMS (7), которые распространяются и затем восстанавливаются.Таким образом, фундаментальный вопрос для понимания эволюции CMS заключается в том, сохраняется ли относительно небольшое количество элементов CMS в популяциях в течение длительного времени эволюции или происходит постоянная замена типов CMS у вида. Ответ на этот вопрос в системах с CMS или в системах с другими типами эгоистичных генетических элементов вносит вклад в более широкий вопрос о том, являются ли эгоистичные генетические элементы редкими курьезами или повторяющимися явлениями с важными эволюционными последствиями.

Наш подход к этой проблеме заключается в изучении генеалогий геномных регионов, связанных с элементами CMS, для анализа исторических паттернов отбора на CMS. Два класса моделей устанавливают разные ожидания в отношении количества нейтрального генетического разнообразия, которое поддерживается в популяции, в «локусе» CMS и в нейтральных сайтах, связанных с «локусом» CMS. Модели, включающие стабильные полиморфизмы, предсказывают, что генетическое разнообразие высокого уровня по сравнению с нейтральным ожиданием должно произойти, потому что разные клоны независимо накапливают мутации в отсутствие рекомбинации (15).Напротив, быстрая смена клонов (т.е. посредством выборочного обследования или повторяющихся «эпидемий» мутаций CMS) имеет тенденцию к уменьшению генетической изменчивости в связанных сайтах по сравнению с нейтральным случаем (16). Ожидается, что оба этих эффекта будут особенно выражены в геномах, которые не подвергаются рекомбинации, таких как митохондриальные или хлоропластные геномы растений.

Чтобы проверить, характеризуется ли эволюция CMS стабильными полиморфизмами или повторяющимися эпидемиями, мы поэтому оценили разнообразие последовательностей в ядерных и цитоплазматических локусах в Silene vulgaris , растении, которое, как известно, имеет CMS в условиях интенсивного отбора в природе.В качестве контроля мы использовали другой вид, не имеющий недавней эволюционной истории CMS. Мы показываем, что CMS действует для уменьшения разнообразия цитоплазматических геномов, предполагая, что историческая эволюционная динамика CMS в S. vulgaris характеризуется повторяющимися эпидемиями.

Материалы и методы