6.2: Еволюція складності: підвищення геномної або організмальної складності
- Page ID
- 3375
Підвищення геномної або організмальної складності
Випадок, коли ми збільшуємо геномну складність без супутнього збільшення організмальної складності, є досить елементарним. Мутація вставки може додати нову «сміттєву» ДНК в інтергенну область, або інтрон, який не впливає на фенотип. Так само дублююча мутація (тип вставки) може дублювати ген, який просто виконує ту саму роботу, що і існуючий ген. В обох випадках геномна складність збільшується, тоді як складність організму залишається незмінною.
Більш цікавим є підвищення організмальної складності без збільшення геномної складності. У цьому випадку точкова мутація або видалення впливає на cis регуляторні області або області кодування таким чином, що збільшує функцію або експресію генного продукту. Наприклад, уявіть собі амілазу (фермент, який перетравлює крохмалі амілози), яка в нормі експресується в тонкому кишечнику. Місцеві активатори присутні по всій травній системі (включаючи шлунок, рот і кишечник), але перемикач, регульований сигнальним шляхом, активується лише в тонкому кишечнику. Серія точкових мутацій у цис-регуляторних областях амілази тепер створює новий елемент реакції локального активатора (рис. 2). Певним чином, це можна розглядати як збільшення геномної складності, оскільки було додано нове місце зв'язування, але, як видно з іншої точки зору, загальна кількість нуклеотидів залишається незмінною. Цей новий регуляторний регіон cis включає амілазу в роті, тому тепер слинні залози виробляють амілазу і крохмаль травлення може початися раніше, урізноманітнюючи раціон тварини. У цьому випадку вид зберіг кількість генів та кількість нуклеотидів у геномі, але організмальна складність зросла завдяки новому цис-регуляторному сайту (рис. 2).
Екзонічні (кодуючі) мутації також можуть збільшувати складність, без додавання генів або нуклеотидів в геном. Наприклад, уявіть собі білок ссавців з двома доменами - функціональним доменом і доменом репресора. Репресорний домен може бути всюдисущим для інгібування білка за певних умов. В даному випадку наш білок є органайзером ніг. Репресорний домен пов'язаний генами Хокса стовбура, обмежуючи експресію органайзера ніг до області передньої грудної і задньої до поперекових відділів тіла. Поряд з іншими межами вираження, це призводить до тварини з двома парами ніг. Точкова мутація, яка перетворила кодон, що кодує білок, на стоп-кодон (мутація дурниці), в кінці функціонального домену, призведе до того, що білок не вистачає домену репресора. Це призведе до ектопічної активації діяльності організатора ніг і (потенційно) додаткових ніг (рис. 2).
Підвищення організмальної та геномної складності
Геномна складність може бути додана, на малих або великомасштабних, і вона може виникати над cis-регуляторними або кодуючими регіонами. Він може включати горизонтальний перенесення з іншого генома або дублювання елементів, вже присутніх в геномі. Тут ми розглянемо різні способи додавання генетичної складності і як вони можуть вплинути на складність організму. Я зосереджуся на дублюванні, а не на горизонтальному перенесенні для простоти, але подібні наслідки можуть виникнути і з горизонтальним перенесенням. Менші масштаби дублювання можуть відбуватися через помилки в реплікації ДНК, помилки в мейотичному перетині або транспозонної вставки. Більші масштаби дублювання можуть відбуватися через помилки в мейотичному перетині, транспозонної вставки або дублювання цілої хромосоми через місегрегацію хромосом під час поділу клітин.
Дрібні дублікації можуть дублювати один функціональний домен (наприклад, домен BHLH), єдину послідовність кодування, один ген або один сайт зв'язування білка cis-регуляторного білка. У випадку з цис-регуляторним сайтом зв'язування початкова мутація може збільшувати або зменшувати експресію в клітинах-мішенях. Додаткові точкові мутації в місці зв'язування могли б оптимізувати для зв'язування спорідненого білка. Це призвело б до стимулювання ектопічної експресії генів та потенційно нової функції. Якщо новий сайт зв'язується з новим локальним активатором, то ектопічна експресія генів може відбуватися в клітині, які експресують ці активатори, коли у них також включений шлях трансдукції активуючого сигналу. Новий сайт в якості альтернативи може бути елементом відповіді Signal Pathway (SPRE), і в цьому випадку він ввімкне вираз ектопічно лише тоді, коли присутні початкові локальні активатори.
Дублювання гена (або принаймні області кодування) може мати один з трьох основних ефектів: створення псевдогена, DDS (дублювання, дивергенція, субфункціоналізація) або DDN (дублювання, дивергенція, неофункціоналізація). Псевдогени не додають організмної складності, але субфункціоналізація та неофункціоналізація потенційно можуть. Як під DDS, так і DDN ми бачимо вивільнення очищаючого виділення через надлишковий дублікат білка (або РНК). Під DDS потенційно плейотропний білок дублюється, і тепер кожен дублікат може оптимізувати для підмножини вихідних функцій. Це може призвести до підвищення фізичної форми та/або збільшення складності організму. Під DDN одна з двох надлишкових копій випадковим чином набуває нову функцію, яку потім можна оптимізувати, оскільки вона не перебуває під плейотропними обмеженнями. Ця нова функція збільшує складність організму.
Більш масштабні дублювання також можуть виникати над цис-регуляторними областями або білковим кодуванням/генними регіонами. Дублювання всього енхансера елемента може потенційно вплинути на транскрипцію або впливаючи на експресію генів безпосередньо або шляхом зв'язування та секвестеризації факторів транскрипції, присутніх у клітці. Елемент підсилювача також може бути вставлений в нове геномне місце за допомогою транспозонної вставки або помилок в перехрещуванні. У цьому випадку ми очікуємо ектопічної експресії генів, керованої цим новим елементом.
Більш масштабні дублювання над кількома областями кодування включають дублювання генів HOX. Це призводить до множинних HOX-скупчень в одній тварині. Стародавнє дублювання хокс-кластера породило кластери Хокс і Парахокс. Гени Hox діють у регіоналізації передньо-задньої осі, головним чином, впливаючи на ектодерму та мезодерму тварин, тоді як гени Parahox, як правило, беруть участь у малюнку ендодермальної та центральної нервової системи. Подальші дублювання Хокса (як видно в дублікаціях хребетних цілого геному) дозволили генам Хокса формувати нові осі - як вісь кінцівок хребетних. Аналогічним чином, вивільнення плейотропних обмежень на дубльованих генах нервової системи, можливо, породило нервовий гребінь у хребетних. Цей «четвертий зародковий шар» відіграє важливу роль у формуванні черепно-лицевих структур, а також нашої кишкової нервової системи, надниркових залоз та інших складних структур.
