14: Взаємодія декількох вибраних локусів
- Page ID
- 7914
Взаємодія декількох вибраних локусів.
Селекція не діє на локуси ізольовано, а долі виділених алелів у геномі корелюються. У попередньому розділі ми розглянули, як вибрані локуси впливають на нейтральні локуси. Тут ми вивчимо взаємодію декількох вибраних локусів. Протягом цієї глави ми побачимо, як багатолокусна динаміка є ключовою для розуміння гіпотез про еволюційне значення статевого розмноження, адже первинні еволюційні витрати та переваги статі виникають незалежний асортимент хромосом та рекомбінація. Багатолокусна динаміка також часто є ключовою для розуміння того, як виникають та підтримуються нові види. З популяційно-генетичної точки зору види - це набори ознак та алелів, що утримуються асортативним спарюванням та відбором.
Чому секс?
[рис.: віптейл_ящірка]
Переважна більшість еукаріотичних організмів розмножуються статевим шляхом. Статеве розмноження, злиття двох клітин з утворенням зиготи (сингамії) з подальшим мейозом, являє собою давню особливість еукаріотів. Однак повсюдне поширення сексу пов'язано не лише з тим, що секс є фіксованим родовим станом еукаріотів. Багато еукаріотичних видів не є обов'язково статевими і можуть розмножуватися клонально (тобто безстатево), наприклад, вегетативний ріст рослин. Однак вони будуть розмножуватися клонально лише на короткий час, перш ніж знову зайнятися сексом. Існують навіть безстатеві хребетні родовища. Наприклад, існує ряд обов'язково партеногенних видів ящірки волосистої (Aspidoscelis), де кожна особина у виду жіноча і розмножується клонально. Однак лише невелика частина видів еукаріот є облігатними асексуалами, і ці види, здається, є недовговічними гілочками на еукаріотичному дереві життя.
Статеве розмноження обмежується еукаріотами, але більшість нееукаріотичних видів мають певну форму генетичного обміну, де генетичний матеріал набувається та включається в їх геноми за допомогою цілого ряду механізмів. Ці нееукаріотичні механізми часто, здається, розвивалися частково, оскільки вони полегшують генетичний обмін.
Таким чином, секс і генетичний обмін неймовірно широко поширені. І все ж секс має значні короткострокові витрати.
Витрати на секс.
Три широкі витрати на секс часто висувалися гіпотези:
- Вартість в'язки. Пошук та залучення партнера дорогі і можуть бути неможливими, а спарювання може бути небезпечним.
- Вартість рекомбінації. Навіщо ризикувати розбивати його виграшним генотипом? Якщо вам вдалося вижити, щоб відтворити, ви генотип, швидше за все, не може бути жахливим пристосуванням до навколишнього середовища. Але якщо ви займаєтеся статевим розмноженням, тобто мейозом, ви перетасуєте свій геном з геном вашого партнера. Немає жодної гарантії, що цей новий генотип буде добре працювати в нинішньому середовищі.
- Дворазова вартість статі. У потомства статевих організмів є двоє батьків. Тому статеві батьки вносять лише половину свого генома своєму потомству. У той час як безстатеві організми вносять весь свій геном наступному поколінню. Таким чином, статевий організм повинен мати вдвічі більше дітей, щоб залишити таку ж кількість копій свого геному наступному поколінню. Це може бути здійсненним, якби обидва сексуальні батьки були однаково віддані сприяти цьому потомству. Однак це рідко буває. Цю вартість іноді називають дворазовою вартістю чоловіків, оскільки чоловіки часто надають мало ресурсів своїм дітям. Таким чином, будь-який алель, який робить його господаря безстатевим, повинен спочатку поширюватися все інше рівноправним.
І все ж секс та інші форми генетичного обміну зберігаються, незважаючи на ці короткострокові переваги для безстатевого розмноження. Дійсно, безстатеві лінії часто виникають і поширюються в деяких сексуальних популяціях завдяки цим перевагам.
Користь сексу.
Були запропоновані численні переваги для статевого розмноження. Протягом цієї глави ми зіткнемося з низкою моделей, які торкаються переваг сексу. Ми побачимо, що вибір дозволяє корисним алелям проливати свій фон шкідливих алелів, коли вони проносяться по популяції. За відсутності сексу та рекомбінації корисні алелі можуть блокувати прогресування один одного до фіксації, так зване «клональне втручання». Ще однією головною перевагою сексу є те, що корисні алелі можуть бути об'єднані на одному генетичному фоні за допомогою рекомбінації, що дозволяє більш швидкі темпи адаптації.
Дві локусні моделі виділення і рекомбінації.
Моделі, що включають багато вибраних локусів, можуть бути дуже складними для аналізу. На щастя для нас багато ключових уявлень про взаємодію селекції та рекомбінації можна зрозуміти порівняно інтуїтивно зрозумілими термінами та продемонстровано за допомогою двох моделей локусів.
Розглянемо два біаллельних локуси, що розділяють для\(A/a\) і\(B/b\). Існує чотири гаплотипи,,,\(AB\),\(Ab\)\(aB\)\(ab\), які для простоти ми позначаємо 1-4. Частота наших чотирьох гаплотипів є\(x_1\),\(x_2\),\(x_3\), і\(x_4\). Кожна особина має генотип, що складається з двох гаплотипів; ми\(w_{ij}\) позначаємо придатність індивіда генотипом, що складається з гаплотипу\(i\) і\(j\) (ми припускаємо\(w_{ij}=w_{ji}\), що, тобто немає ефектів батьківського походження). Припускаючи, що ці фітнеси відображають відмінності через відбір життєздатності, і що особини спаровуються випадковим чином, ми можемо написати наступну таблицю пропорцій нашого генотипу після відбору:
| \(AB\) | \(Ab\) | \(aB\) | \(ab\) | |
|---|---|---|---|---|
| \(AB\) | \(w_{11} x_1^2\) | \(w_{12} 2 x_1 x_2\) | \(w_{13} 2 x_1 x_3\) | \(w_{14} 2 x_1 x_4\) |
| \(Ab\) | \(\bullet\) | \(w_{22} x_2^2\) | \(w_{23} 2 x_2 x_3\) | \(w_{24} 2 x_2 x_4\) |
| \(aB\) | \(\bullet\) | \(\bullet\) | \(w_{33} x_3^2\) | \(w_{34} 2 x_3 x_4\) |
| \(ab\) | \(\bullet\) | \(\bullet\) | \(\bullet\) | \(w_{44} x_4^2\) |
Це випливає з припущення, що наші гаплотипи зібрані навмання (HWE), а потім знижуються за їх фітнесом. Наша середня\(\bar{w}\) придатність - це сума всіх записів у таблиці, тому ділення на\(\bar{w}\) нормалізує повну таблицю на суму до одиниці. Частота\(AB\) гаплотипу (\(1\)) в наступному поколінні гамет дорівнює
\[x_1' = \frac{\big( w_{11} x_1^2 + \half w_{12} 2 x_1 x_2 + \half w_{13} 2x_1 x_3 + \half (1-c) w_{14} 2 x_1 x_4 + \half c w_{23} 2 x_2 x_3 \big)}{ \bar{w} } \label{eqn:hapfreq}\]
Це трохи ротик, але кожен з термінів легко зрозуміти. Кожна з частот генотипу HWE (наприклад\(2x_1x_2\)) зважується його придатністю щодо середньої придатності (\(w_{ij}/\bar{w}\)) та ймовірністю передачі гаплотипу AB наступному поколінню. Наприклад,\(AB/Ab\) особини (1/2) передають\(AB\) гаплотип лише половину часу. Останні два члени включають рекомбінаційну фракцію (\(c\)). Перший термін, що включає рекомбінацію, відноситься до\(AB/ab\) генотипу (1/4), який з ймовірністю\((1-c)/2\) передає гаметі нерекомбінантний\(AB\) гаплотип. Аналогічно, другий термін відноситься до\(Ab/aB\) генотипу;\(c/2\) частка його гамет несе рекомбінантний\(AB\) гаплотип.
У випадку з одним локусом ми визначили граничну придатність аллеля. Тут це допоможе нам визначити граничну придатність\(i^{th}\) гаплотипу:
\[\bar{w}_i = \sum_{j=1}^4 w_{ij} x_j\]
Це придатність\(i^{th}\) гаплотипу, усередненого по всіх диплоїдних генотипах, в яких він міг виникнути, зважений їх ймовірністю при випадковому спарюванні. Використовуючи це позначення та при деякій перестановці рівняння [eqn:hapfreq], отримаємо
\[x_1' = \frac{x_1\bar{w}_1 - w_{14} c D}{\bar{w}}\]
Тут ми припустили\(w_{23}=w_{14}\), що, тобто, що придатність\(AB/ab\) людей така ж, як і\(Ab/aB\) індивіди (тобто, що придатність залежить лише від алелей, які переносяться індивідом, а не від того, яку хромосому вони переносять; це припущення іноді називається не цис -епістаз).
Потім ми можемо записати зміну частоти нашого\(1\) гаплотипу як
\[\Delta x_1= \frac{x_1(\bar{w}_1-\bar{w}) -c w_{14} D}{\bar{w}}\]
Узагальнюючи цей результат, ми запишемо зміну будь-якого гаплотипу i з нашої множини чотирьох гаплотипів як
\[\Delta x_i= \frac{x_i(\bar{w}_i-\bar{w}) \pm c w_{14} D}{\bar{w}} \label{eqn:two_loc_sel}\]
де муфтові гаплотипи 1 і 4 використовують\(+D\) і відштовхують гаплотипи 2 і 3 використовують\(-D\). Зауважте, що сума цих чотирьох\(\Delta x_i\) дорівнює нулю, оскільки наші гаплотипні частоти сумуються одиницею.
Отже, зміна частоти гаплотипу (наприклад, AB, гаплотип 1) визначається взаємодією двох факторів: По-перше, ступінь граничної придатності нашого гаплотипу вище (або нижче), ніж середня придатність населення (величина та ознака \((\bar{w}_1-\bar{w})/\bar{w}\)). По-друге, чи є дефіцит або будь-яке перевищення нашого гаплотипу порівняно з рівновагою зв'язку (величиною та ознакою\(D\)), модифікованим силою рекомбінації. Ця напруженість між відбором, що сприяє конкретним гаплотипічним комбінаціям, і рекомбінацією, що розщеплює надмірно поширені гаплотипи, є ключем до багатьох цікавих динаміки та еволюційних процесів.
Види взаємодії між виділенням і рекомбінацією
Протягом усієї решти глави ми обговоримо деякі загальні форми взаємодії між вибраними локусами та те, як рекомбінація грає в полегшення або перешкоджає відбору. Для ілюстрації цих ідей ми використовуємо діаграми Мюллера, де ми візуалізуємо динаміку алелів з точки зору графіка частот стека з плином часу. У всіх наших моделюваннях використовується однакова базова динаміка двох локусів, задана eqn [eqn:two_loc_sel]. Щоб спростити речі, ми просто обговорюємо через якісну динаміку цих моделей, але багато з цих моделей були досліджені набагато глибше.
Автостоп нейтральних алелів
[Рис: нейтральні_HH]
Давайте почнемо з перегляду нашого нейтрального автостопа в цих двох локусних налаштуваннях в попередньому розділі ми побачили, що нейтральні алелі можуть подорожувати автостопом разом з нашим вибраним алелем, якщо вони досить щільно пов'язані. Рисунок [рис:Neutral_HH] показує частотні траєкторії різних гаплотипів для нейтрального алелю (\(A\)), який присутній на\(10\%\) частоті в популяції, коли наш корисний алель (\(B\)) виникає на його тлі. Коли швидкість рекомбінації (\(c\)) є низькою між локусами,\(A\) потрапляє автостопом до високої частоти, але для більш високих показників рекомбінації він перетягується лише на проміжні частоти. Для найвищої показаної швидкості рекомбінації (\(c \approx s\)) динаміка нейтрального алеля (\(p_{Ab}+p_{AB}\)) ледве змінюється взагалі, оскільки вона часто рекомбінує і вимикає алель, що підмітає, і так ледве сприймає розгортку.
Автостоп згубних алелів
Згубні алелі також можуть подорожувати автостопом разом з корисними мутаціями, якщо вони не надто шкідливі порівняно з перевагами, пропонованими вибраним алелем. Знову ж таки, наш алель\(A\) є\(10\%\) частотою в популяції на малюнку [рис:deleterious_HH], але цього разу він згубний і тому спочатку зменшується в частоті між поколіннями, коли корисна мутація (\(B\)) виникає на його фон. Якби локуси щільно пов'язані, а А були занадто згубними, Б ніколи не вийшло злетіти в популяції. Однак, якщо переваги B переважують вартість А, навіть у разі відсутності рекомбінації між нашими локусами, алель\(A\) потрапляє в автостоп до фіксації і просто\(B\) уповільнює швидкість збільшення та їх комбінована фітнес знижується. При помірній кількості рекомбінації між локусами, наш шкідливий починає автостопом, але перш ніж він може дістатися до фіксації корисний алель вдається рекомбінувати від свого фону. Цей рекомбінантний гаплотип aB, який має вищу придатність, оскільки йому не вистачає згубного алелю, тепер може проходити через населення, витісняючи гаплотип AB. Для більш високих подій рекомбінації нам доводиться чекати менш довго, поки рекомбінація розбиває автостоп згубний алель, тому адаптивний алель легко уникає свого фону. Для ілюстрації тут ми використовували відносно поширений згубний алель, але насправді ці алелі, ймовірно, часто будуть рідкісними в популяції та при балансі мутації-відбору. Якщо вони рідкісні, цілком ймовірно, що корисна мутація виникає на тлі конкретного згубного алеля, але, як ми бачили, ймовірно, в популяції буде багато рідкісних згубних алелів, тому цілком ймовірно, що корисним мутаціям часто доведеться боротися зі згубними автостопами.
[Рис: Згубний_HH]
Клональне втручання між сприятливими алелями.
Коли показники сексу та рекомбінації дорівнюють нулю або дуже низьким, позитивно відібрані алелі можуть перешкоджати один одному досягти фіксації, і тому швидкість адаптації може бути уповільнена. За відсутності сексу та рекомбінації, коли два позитивно відібрані алелі виникають на різних генетичних фоні в популяції, вони не можуть обидва виправити (ліва сторона малюнка [рис:інтерференція]). Вони можуть спочатку збільшуватися в частоті, але обов'язково конкурувати один з одним, коли стають загальними. Це називається селективним втручанням, або іноді клональним втручанням. Якщо один з алелів має набагато більший коефіцієнт відбору, він зафіксує, змушуючи інший алель від популяції, але коли вони відносно однаково узгоджені, це може зайняти деякий час, щоб ця ситуація вирішилася, що призведе до заторів у населення. При цьому в безстатевому адаптаційному алелі обов'язково повинні фіксуватися послідовно. Однак навіть при невеликій кількості рекомбінації корисні алелі можуть рекомбінувати один на одному тлі, дозволяючи їм фіксуватися паралельно (права сторона малюнка [рис:інтерференція]).
[Рис: ВІЛ_інтерференція]
![Сюжет Мюллера динаміки інтерференції лікарської резистентності з рисунка [рис:HIV_interferency]. Малюнок з,.](/Journal_figs/recom_selection/Pleuni_HIV_interference/DdweQyxU0AA7mXe.jpg)
[Рис: ВІЛ_інтерференція_м]
Враховуючи швидку еволюцію ВІЛ, ми можемо бачити втручання, що відбуваються протягом дуже коротких періодів часу. ВІЛ використовує свій ген зворотної транскриптази (RT), щоб записати себе з РНК-вірусу в ДНК свого господаря, що дозволяє ВІЛ викрасти регуляторний механізм господарів, що є критичною частиною його життєвого циклу. Одним з ранніх препаратів від ВІЛ був Ефавіренц, який інгібує білок RT ВІЛ. На жаль, мутації поширені в гені ВІЛ RT, і ці мутації в присутності препарату надають глибоку перевагу у фітнесі, дозволяючи їм поширюватися через населення ВІЛ у пацієнтів, які проходять лікування проти ВІЛ. На малюнку [рис:HIV_interference] ми бачимо, що до 224 дня після початку медикаментозного лікування дві різні амінокислотні зміни, які починають поширюватися всередині пацієнта (також показано у вигляді діаграми Мюллера на малюнку [рис:HIV_interference_m]). Оскільки ці алелі відбуваються на різних генетичних фоні, з невеликими шансами на генетичний обмін між ними, вони втручаються один в одного прогресу, коли вони конкурують за фіксацію всередині популяції. Врешті-решт зміна амінокислоти на сайті 188 виграє.
Епістатичні комбінації алелей і вартість рекомбінації.
Рекомбінація приходить за ціною. Хоча рекомбінація може принести корисні комбінації алелів разом, вона також розірве їх. Щоб побачити це, уявіть собі пару алелів A і B у двох локусах, які дуже добре працюють разом, і пропонують перевагу у фітнесі перед родовим поєднанням алелів a і b. це зміни білка та його рецептора, і що вони пропонують набагато більш ефективну сигнальну відповідь. Однак уявіть, що A не працює з b, а також алель a добре працює з B. Можливо, білок, виготовлений алелем А, ясна до рецептора b, і аналогічно для іншої іншої комбінації.
Гаплотип AB може поширюватися з низької частоти, якщо рекомбінація не розбиває його з занадто високою швидкістю. Коли показники рекомбінації вищі, рекомбінація запобігає поширенню алелю A або B, оскільки рекомбінація переводить алель А з фону B на b фон, де він страждає низькою придатністю (і аналогічно для алелю B). Гаплотип ab не страждає тим самим наслідком, оскільки він є в більшості, тому, коли відбувається рекомбінація, алель, як правило, рекомбінується назад на фон b без наслідків. Таким чином, рекомбінація може запобігти поширенню корисних епістатичних комбінацій алелів. Ми розглянемо це більше, коли ми обговоримо еволюцію рекомбінаційних супресорів у розділі 1.3.7.
[рис. Епістазі_vs_recom]
Тріскачка Мюллера
Відбувається постійний приплив згубних мутацій уздовж будь-якої хромосоми (червоні алелі на рис. [Рис:Мюллерс_Ratchet]). У безстатевих популяціях або регіонах геному, що не вистачає рекомбінації, це призводить до майже неминучого зниження придатності через втрату гаплотипів високої придатності - процес, відомий як «храповик Мюллера».
Різні гаплотипи різняться за кількістю шкідливих алелів, які вони несуть. Гаплотипи, що несуть найбільш згубні алелі, можуть бути втрачені дрейфом, і шляхом виділення, що діють проти них, але гаплотипи, що несуть велику кількість шкідливих алелів, швидко відтворюються новими мутаціями. Зворотне також може статися, якщо вибір проти цих кожного згубних алелів відносно слабкий, популяція може випадково втратити гаплотип, що несе найменшу кількість згубних алелів (середня панель малюнка [Fig:Mullers_Ratchet]).
[Рис: Мюллерс_храповик]
Після того, як ми втратили цей гаплотип, його важко відтворити, оскільки це вимагатиме малоймовірних зворотних мутацій, щоб видалити згубні мутації з популяції. Після втрати найменш шкідливого гаплотипу ми підняли середні згубні мутації в популяції і знизили середню придатність населення. Це буде продовжувати відбуватися, випадково ми можемо продовжувати втрачати гаплотип з найменшою кількістю шкідливих алелів (нижня ліва панель малюнка [рис:Mullers_Ratchet]). Таким чином, кількість згубних алелів, що переносяться в нашій безстатевій популяції, буде поступово збільшуватися. Це може врешті-решт приречити безстатеве населення на вимирання, оскільки їх середня придатність з часом знижується.
У статевої популяції може запуститися той же процес. Ми можемо випадково втратити гаплотип з найменшою кількістю згубних мутацій (середня права панель Figure [Fig:Mullers_Ratchet]). Однак рекомбінація серед шкідливих гаплотипів може відтворити цей гаплотип, що несе кілька згубних алелів. Такий кросовер зображений у вигляді червоного X на середній правій панелі Figure [Fig:Mullers_Ratchet], а отриманий рекомбінантний гаплотип кілька шкідливих показаний на нижній правій панелі. Тому храповик Мюллера не висувається вперед у сексуальних популяціях, оскільки навіть невеликої кількості рекомбінації достатньо, щоб зупинити її прогресування.
Приклад витрат на асексуальність.
У роду енотери (Oenothera) існує ряд молодих, самостійно виведених, безстатевих видів. У кожного виду ця асексуальність обумовлена складною серією реципрокних транслокацій, які утворюють кільце при меозі, що запобігає рекомбінації та сегрегації, і гарантують, що кожна рослина є постійно-гетерозиготою для цих перебудов через летальність. Ця система досить складна, і супер крута. Нам не потрібно турбуватися про деталі, але важливо, що кожен вид функціонально безстатевий. взяв дані транскриптом з усієї клади примули вечірньої, і скористався 7 незалежними, асексуально-сексуальними сестринськими парами видів, щоб вивчити вплив еволюції асексуальності на молекулярну еволюцію.
[рис.: вечірній_примура_омега]
\(\frac{d_N}{d_S}\)Для статевих і безстатевих видів для кожної з семи пар (C1-C7) показано на малюнку [рис:evening_primrose_omega]. У кожній\(\frac{d_N}{d_S}\) парі вище у безстатевого виду. Геноми безстатевих видів розвиваються менш обмеженим чином, ймовірно, через слабо згубні мутації, що накопичуються через автостоп з корисними алелями та повільним кривошипом храповика Мюллера.
Підтримка комбінацій алелів в умовах рекомбінації.
У деяких випадках балансування вибору може бути спроба підтримувати кілька комбінацій алелів у популяції, які добре працюють разом. Однак рекомбінація може постійно розривати ці алелі один від одного, що ускладнює підтримку цих алелів. Це можна вибрати для придушення рекомбінації. Деякі з найбільш драматичних демонстрацій цієї напруги включають еволюцію так званих супергенів. Спочатку ми розглянемо еволюцію супергена мімікрії в Heliconius numata як приклад цієї динаміки.
Деякі з найбільш вражаючих прикладів мімікрії M ü llerian у світі зустрічаються у метеликів Heliconius. Ці метелики неприємні для хижаків, і різні види імітують один одного так виграють від того, що їх не їдять хижаки, які швидко вчаться уникати всіх цих видів). У багатьох з цих видів зустрічаються численні морфи мімікрії, коли ми рухаємося через географічний простір. У Heliconius numata ряд різних морфів імітують морфи від віддалено спорідненого виду Melinaea, див. Рисунок [рис:H_numata].
[Рис: h_numata]
Щоб зробити речі відносно простими, давайте зосередимося на двох відмінностях між сильваною та біколоратом, жовтою смугою на верхньому крилі сільвани та чорним нижнім крилом біколорату. Уявімо, що ці дві відмінності обумовлені простою системою двох локусів (див. Лівий стовпець Рисунок [рис:numata_two_loc_freqs]). Перший локус відокремлює для Y/y, де Y-алель кодує жовту смугу верхнього крила, а y кодує для відсутності жовтої смуги. Другий локус відокремлює для b/b, де B кодує для нижнього крила чорного кольору, а b - для відсутності чорного на нижньому крилі. Якщо Y є рецесивним, а B домінантним, то фенотип silvana відповідає генотипу YY bb. Завдяки домінуванню алелів у і В, фенотип біколорату може бути досягнутий різними генотипами (Yy Bb, yy BB, Yy BB, yy Bb). Припустимо, що обидва ці фенотипи пропонують перевагу, оскільки вони імітують модель M. menophilus. Але є також генотипи, які також не роблять; YY BB особи мають жовту смугу і чорне дно, і тому не роблять великої роботи, імітуючи нічого, і тому будуть з'їдені. Думаючи про чотири можливі гаплотипи, Y-b має високу граничну придатність, оскільки завдяки своєму поєднанню домінантних алелів він завжди буде виробляти фенотип біколорату. Так само гаплотип Y-b має високу граничну придатність, оскільки він добре справляється в гомозиготному стані (фенотип сильвани) і коли він поєднується з алелем y͡-b. Однак гаплотипи Y-B та y-b справедливі менш добре, оскільки вони несуть два алелі, які погано працюють один з одним, і тому часто люди, які страждають високими показниками хижацтва.
[мал.:нумата_два_лок_фріксу]
Якщо між цими локусами не відбувається жодної рекомбінації (\(c=0\), Рис. [fig:numata_two_loc_freqs]), то Y-B та y-b вибираються поза населенням, а Y-b та Y-b можна стабільно підтримувати. Однак, коли між нашими локусами занадто багато рекомбінації (наприклад\(c=0.4\), Рисунок [fig:numata_two_loc_freqs]), гаплотипи високої придатності продовжують розриватися рекомбінацією, а Y-b втрачається від населення як його рецесивна перевага втрачається, тому що занадто часто розбивається рекомбінацією у гетерозигот.
Супергени на допомогу!
Тож наші поліморфізми можна підтримувати лише в тому випадку, якщо вони щільно пов'язані, тобто якщо ці алелі виникли в локусах, генетично близьких один до одного. Але як можливо, що ці алелі виникли близько один до одного? Хитрість полягає в тому, що вони не обов'язково повинні виникати дуже близько один до одного. Якщо така система є поліморфною, але регулярно розбивається рекомбінацією, може виникнути хромосомна інверсія - перегортання цілого ділянки хромосоми - і пригнічує рекомбінацію. Уявіть, що наші два локуси знаходяться далеко один від одного генетично, і на Y-b тлі виникає хромосомна інверсія, утворюючи гаплотип b-y. Цей перевернутий гаплотип не буде рекомбінуватися з гаплотипом Y-b, коли він присутній у гетерозиготі, тому він не розщеплюється рекомбінацією. Цей перевернутий гаплотип, який користується перевагами для фітнесу Y-b, тому може замінити гаплотип Y-b у популяції. Два інших гаплотипи з низькою фітнесом зникнуть, оскільки вони більше не генеруються рекомбінацією, залишаючи лише Y-b та B-y. Система поліморфізму тепер поводиться як алелі в одному локусі, супергені (наприклад, як на\(c=0\) малюнку [рис:numata_two_loc_freqs]).
Тепер система H. numata набагато складніша, ніж наша іграшка два локус-системи, імовірно включає багато змін і доопрацювань, але той же принцип дотримується. Відмінності між різними морфами мімікрії H. numata виявляються на одній хромосомі, і спадкування поводиться так, ніби контролюється одним локусом (хоча і з багатьма алелями). Особи H. n. f. silvana несуть рецесивний гаплотип алелів, який, як відомо, заблокований разом інверсією\(\sim 400\) kb, тобто відрізняється хромосомною орієнтацією від двоколірного алеля (гаплотипу), який діє як домінантний алель. Інші алелі в цій же хромосомній області забезпечують генетичну основу інших морфів, а іноді відповідають подальшим інверсіям з діапазоном домінантних відносин.
[рис.: щорічний_багаторічний_фітнес]
Локальна адаптація, видоутворення та інверсії.
[дво_локус_міг]
Вважається, що інверсії відіграють важливу роль у місцевій адаптації та видобутку. Один із прикладів інверсії, що лежить в основі локальної адаптації, відбувається в Mimulus gutatus, у Західній Північній Америці, де існують однорічні та багаторічні екоморфи з дуже різними стратегіями життєвої історії (див. Рис. [рис:annual_perennial_fitness]). Багаторічна форма росте в багатьох місцях уздовж узбережжя Тихого океану, а в інших місцях з роком навколо вологи; вона вкладає багато ресурсів у досягнення великих розмірів і закладення ресурсів на наступний рік, і в результаті цвіте пізно. Річна форма росте всередині країни, наприклад, в центральній долині Каліфорнії, де їй доводиться вкладати всі свої зусилля в швидке цвітіння перед довгим, спекотним, сухим літом. Жоден екоморф не справляється добре в середовищі іншого. Багаторічні рослини хрустять до того, як у них з'явиться шанс цвісти, тоді як однорічні рослини страждають від високих показників травоїдних рослин і не переносять сольовий бризок. виявили, що велика інверсія контролювала велику кількість фенотипічних варіацій у часі цвітіння та низку інших морфологічних відмінностей між цими двома морфами. Вони також показали, що інверсія контролює розумну частку відмінностей у фітнесі в цій галузі, що відповідає їй, що лежить в основі фітнес-компромісів, що беруть участь у місцевій адаптації.
Чому інверсія брала участь у замиканні місцевих адаптованих алелей? Основна ідея, як і вище, полягає в тому, що інверсія може бути обрана для блокування рекомбінації, коли у нас є два (або більше) локуси, що розділяються для локально адаптованих алелей (Рисунок [two_locus_mig]). Локально вигідні гаплотипи загрожують розпадом рекомбінації з малоадаптованими гаплотипами, які постійно впроваджуються в кожну популяцію шляхом міграції з іншої. Якщо виникає інверсія, яка блокує ці алелі разом в одній популяції, її можна вибрати, оскільки вона не зазнає шкідливих наслідків від рекомбінації з мігруючими дезадаптивними гаплотипами.
[Рис: дерево_of_sex]
Статеві хромосоми і динаміка виділення і рекомбінації.
Еволюція статевих хромосом і нові системи генетичного визначення статі забезпечують прекрасну демонстрацію взаємодії селекції та рекомбінації. Але спочатку варто зробити крок назад і подумати про різницю між видом статевим, що має чоловічі та жіночі гамети, і має окремі статі (тобто самців і жінок), і механізми визначення статей. Багато видів є статевими, але не мають окремих статей або навіть чоловічих чи жіночих гамет. Вироблення різних за розміром гамет (анізогамія) виникло кілька разів в багатоклітинному житті, причому чоловічі і жіночі гамети визначаються їх відносними розмірами. Менші і часто більш рухливі гамети визначаються як чоловічі гамети (наприклад, сперма), тоді як більші, добре забезпечені і часто менш рухливі визначаються як жіночі гамети (наприклад, яйцеклітина). Вважається, що еволюція анізогамії обумовлена руйнівним відбором через компроміс, що тягне в протилежних напрямках до мобільних гамет, здатних рухатися далі і в протилежному напрямку до більш забезпечених гамет, які краще здатні будувати більші зиготи. У багатьох організмах особини можуть виробляти як чоловічі, так і жіночі гамети, тоді як деякі види еволюціонували окремі статі, ймовірно, частково як механізм уникнення інбридингу. Існує величезна різноманітність механізмів визначення статі в еукаріотичному дереві (Рис. [Fig:Tree_of_sex]). Це все, щоб сказати, біологія дивно різноманітна і складна.
У ссавців, і багатьох інших систем з генетичним визначенням статі, гени, що відповідають за визначення статі, лежать на парі гетероморфних статевих хромосом, тобто парі досить різних за розміром хромосом. У ссавців більшість самців - це XY та самки XY, а Y-хромосома, яка має дуже малий вміст генів порівняно з Х-хромосомою. Але в інших групах, таких як птахи та деякі змії, визначення статі - це система ZW, причому самки - ZW, а самці - ZZ. У цих системах жінки несуть бідний ген W, а самці є гомогаметською статтю, несучи два Zs. Якщо ви все ще читаєте, надішліть Грему фотографію Нетті Стівенс, вона виявила статеві хромосоми в 1905 році. Вважається, що ці приклади гетероморфних статевих хромосом та багатьох інших подібних до них виникли з родової пари аутосом. Чим же тоді пояснюється їх еволюція?
[Рис: Нео_й_Евол]
Одне широке пояснення еволюції статевої хромосоми проілюстровано на малюнку [рис:Neo_Y_Evol] і виглядає наступним чином:
- Існує пара родових аутосом з сексуально-антагоністичними чоловічими, жіночими згубними алелями, що розділяються на них (зворотне може відбуватися, але не є центральним для еволюції Y-хромосом). Ці алелі можуть зберігатися в популяції протягом деякого часу, але в кінцевому підсумку втрачаються через їх вартість у жінок.
- На одній з хромосом виникає домінантний, визначальний чоловічий алель. Давайте назвемо цю хромосому нашим Proto-y, а іншу нашу Proto-X. Всі особини, які є гетерозиготними для прото-у, будуть самцями, особинами, гомозиготними для прото-Х. Жодна людина не буде гомозиготною для Proto-y, оскільки індивіди можуть отримати щонайбільше одного прото-у, що свого батька.
- Наші сексуально-антагоністичні алелі виграють від того, що вони знаходяться на тій же хромосомі, що і наш аллель, що визначає чоловіків, тому що тоді вони гарантовано будуть у чоловіків. Однак, якщо вони рекомбінують Proto-y на Proto-X, вони знаходяться в невигідному становищі.
- Якщо інверсія виникає на тлі прото-Y хромосоми, вона може зафіксувати разом аллель, що визначає чоловіка, і деякі наші статево-антагоністичні алелі. Ця інверсія може спочатку поширитися, оскільки отримує користь від сексуально-антагоністичних алелів без витрат на рекомбінацію. Ця інверсія не може поширюватися на фіксацію, оскільки фішеріанський вибір щодо статевого співвідношення тримає його під контролем (див. Розділ [розділ: sex_ratios], щоб дізнатися більше про вибір статевого співвідношення).
- Подальші інверсії можуть потенційно цементувати додаткові сексуально-антагоністичні алелі в тісний зв'язок з аллелем, що визначає чоловіків.
Статеві хромосоми, за цією гіпотезою, є супергенами, що фіксують разом визначення статі та сексуально-антагоністичні алелі. Наші чоловічі корисні, жіночі згубні алелі добре працюють на тлі аллелю, що визначає чоловіків, і погано від нього, це саме та установка супергенів, яку ми зіткнулися в розділі 1.3.8. Цей ескіз можна перевернути, щоб описати еволюцію систем ZY.
Барвистий приклад початкових умов еволюції нової системи визначення статі пропонують цихиди з озера Малаві, де є багато дуже близьких видів цихлід. У багатьох з цих видів самці яскраво забарвлені, щоб залучити самок, тоді як самки часто коричневі, щоб допомогти їм уникнути хижаків. У деяких з цих видів є альтернативний помаранчевий морф, званий мармеладним котячим морфом, які загадкові проти скелястого дна озера. Цей морф обумовлений домінуючою мутацією під назвою OB на pax7, і алель, здається, розділяється між багатьма з цих видів. Цей алель OB добре працює у самок, однак у самців OB алель порушує їх яскраве забарвлення. Таким чином, поліморфізм ПРО є сексуально антагоністичним, тобто він добре працює у самок і погано у самців.
Самці, які несуть чоловічий згубний алель OB, рідко зустрічаються, незважаючи на те, що алель поширений у самок. Чому це так? Ну тому, що Алель OB щільно пов'язаний з новоявленим жіночим визначальним алелем (W), з самцями, що несуть дві копії аллеля Z. Самці зазвичай гомозиготні для гаплотипу OB-Z, тоді як самки можуть бути або помаранчевими (OB-W/OB-Z), або коричневими (OB-W/OB-Z). Рекомбінація між цими двома локусами здається дуже рідкісною, і тому сексуально антагоністичний алель OB, здається, в основному жіночий специфічний. Таким чином, поширення цієї статі, що визначає алель, потенційно допомогло вирішити сексуально-антагонізм, тоді як він сприяв його власному поширенню. Інверсія на фоні Z зафіксувала б ці два алелі та поширилася.
Деградація гетерогаметних статевих хромосом.
Наші інверсії на Neo-y хромосомі створили проблему (або навпаки Neo-W в системах ZW). Перевернутий блок, що містить аллель, що визначає чоловіка, тепер успадковується як нерекомбінуючий гаплотип. Чому це? Інверсія не рекомбінується в гетерозиготах, а область інверсії Neo-y коли-небудь зустрічається лише у самців гетерозигот. Таким чином, область хромосоми, пов'язана в інверсіях, фактично безстатева і піддається багатьом проблемам, які приходять разом з цим. Автостопом згубних алелей буде звичайним явищем і рашетом Мюллера почне галочку. Багато м'яко згубні алелі будуть дозволені фіксуватися за допомогою цих механізмів, що призведе до накопичення перезрілих стоп-кодонів та глушіння мутацій у несуттєвих генах всередині інверсії Neo-y. Х-хомосома буде підтримувати копії цих генів, і іноді експресія цих генів повинна бути регульована у чоловіків, щоб пристосуватися до деградації копії на основі Y, що призводить до зниження дозування цих генів. Транспозіруемих елементи також можуть накопичуватися на нерекомбінующій ділянці Y-хромосоми, кілька разів у величезній кількості, оскільки продувка цих транспозіруемих елементів буде неефективною в цій області. Але мало що може зупинити не-рекомбінуючий розділ нео-й-хромосоми від розширення більше через короткозорий відбір для інверсій, які ще більше пов'язують сексуально-антагоністичні алелі. Наш нерекомбінуючий розділ Y-хромосоми може розширюватися, щоб зайняти більше хромосоми, оскільки він втрачає функціональні гени і здувається з повторюваною ДНК. Зрештою, значна частина того, що залишається, може бути генами, які мають важливе значення для чоловічої функції, як у випадку зі старими Y-хромосомами, такими як люди.
Еволюційні гіпотези про еволюцію статевих хромосом пропонують чудову ілюстрацію щодо короткострокових переваг пригнічення рекомбінації та тривалих витрат. У короткостроковій перспективі придушення рекомбінації між сексуально атагоністичними алелями та алелями, що визначають стать, пропонували сильні переваги, оскільки він тримав разом виграшний гаплотип. Однак у довгостроковій перспективі придушення рекомбінації дозволяє довгостроковим недолікам асексуальності відігравати статеву хромосому, згубні алелі накопичуються, а хромосома втрачає функціональний вміст генів.
Існує ряд короткострокових переваг до асексуальності. Асексуали не витрачають ресурси на знайдення/залучення партнера, вони продовжують разом вигравати генотипи, і вони уникають дворазової вартості сексу. Однак у довгостроковій перспективі статеве розмноження та рекомбінація пропонують більш сильні переваги, які призводять до довгострокового утримання статевих видів.
Переваги та недоліки сексу та рекомбінації як (головним чином) є результатом того, що вони розбивають існуючі комбінації алелей.
Рекомбінація пропонує перевагу, коли дозволяє benificial алелів, щоб струсити їх згубні автостопи. Рекомбінація також може допомогти об'єднати корисні алелі разом на одному гаплотипі, зменшуючи селективне втручання між алелями. Нарешті рекомбінація дозволяє об'єднати гаплотипи, вільні від шкідливих мутацій, зупиняючи дію раше Мюллера.
Одна значна вартість рекомбінації та сексу полягає в тому, що він розпадає корисні, епістатичні комбінації алелів. Таким чином, відбір може сприяти еволюції рекомбінаційних супресорів, які виникають на гаплотипному тлі сприятливих епістатичних комбінацій, оскільки вони зменшують витрати на рекомбінацію. Еволюція придушення рекомбінації інверсіями є одним із прикладів цього, причому еволюція «супергенів» є особливо драматичним прикладом.
Еволюційні гіпотези про роль рекомбінації в еволюції нових статевих хромосом пропонують вагомий приклад короткострокових витрат і довгострокових переваг рекомбінації.