Көне геномдық екі еселеу және эволюциясы

Кіріспе

Эволюциялық терең уақыт аралығында геномның толық дубликациясын бастан өткерген жағдай. Палеополиплоидия – кем дегенде бірнеше миллион жыл бұрын (МЯ) болған геном дубликацияларының нәтижесі. Мұндай оқиға бір түрдің геномын екі еселеуі (автополиплоидия) немесе екі түрдің геномдарын біріктіруі (аллополиплоидия) мүмкін. Функционалдық артықтығының салдарынан гендер тез өшіріледі немесе дубликацияланған геномдардан жоғалады. Эволюциялық уақыт ішінде көптеген палеополиплоидтар диплоидтану процесі арқылы полиплоидтық статусын жоғалтқан және қазіргі уақытта диплоидтар саналады, мысалы, нан пісіруші ашытқысы, Arabidopsis thaliana.

Палеополиплоидия өсімдіктер тұқымдасында кеңінен зерттеледі. Гүлді өсімдіктердің дені эволюциялық тарихының бір кезеңінде геном дубликациясының кем дегенде бір айналымын бастан өткерген. Ежелгі геном дубликациялары омыртқалы жануарлардың ерте ата-тегінде (адам тегін қоса), сүйекті балықтардың пайда болуына жақын және телеост балықтарының діңгек тегінде де кездеседі. Дәлелдер нан пісіруші ашытқысының (Saccharomyces cerevisiae) ықшам геномы эволюциялық тарихында полиплоидацияны бастан өткергенін көрсетеді. Мезополиплоид термині соңғы 17 миллион жыл ішінде болған геномның толық көбейтілу оқиғаларына (толық геном дубликациясы, толық геном үш еселенуі және т.б.) ұшыраған түрлерді сипаттау үшін қолданылады.

Эукариоттар

Ежелгі геномдық дубликациялар эукариоттарда, әсіресе өсімдіктерде кеңінен таралған. Зерттеулер көрсеткендей, Poaceae тұқымдасының – жүгері, күріш, бидай және қант құрағы сияқты маңызды дақылдарды қамтитын шөптер туысының – ортақ ата-бабасы толық геномдық дубликацияны бастан өткерген. Көне монокотиледілерде қосымша толық геномдық дубликациялардың бірі немесе бірнешесі болған, бірақ олар эудикотиледілердің ортақ ата-бабасымен ортақ болмаған. Жүгері, қант құрағы және бидайға қарайтын туыстарда жақындағы толық геномдық дубликациялар орын алған, бірақ күріш, сорго немесе түлкіқұйрық тарында болмаған. Полиплоидия оқиғасы барлық қазіргі гүлді өсімдіктерге әкелген ортақ ата-бабаны құрады деп есептеледі. Палеополиплоидияны зерттеу үшін ежелгі гүлді өсімдік – Amborella trichopoda геномын секвенциялау жүргізілді. Негізгі эудикотиледілер де ортақ толық геномдық үштікке (палеогексаплоидияға) ие болды, ол монокотиледілер мен эудикотиледілердің айырылысынан кейін, бірақ розидтер мен астеридтердің айырылысынан бұрын болған деп бағаланды. Көптеген эудикотиледік түрлер қосымша толық геномдық дубликациялар немесе үштіктерден өткен. Мысалы, Arabidopsis thaliana – геномы толығымен секвенцияланған алғашқы өсімдік – негізгі эудикотиледілердің ортақ дубликациясынан бері кем дегенде екі қосымша толық геномдық дубликациядан өтті. Соңғы оқиға Arabidopsis және Brassica туыстарының айырылысынан бұрын, шамамен 1900 жылдары болған. Өсімдіктермен салыстырғанда, палеополиплоидия жануарлар әлемінде сирек кездеседі. Ол негізінен қосмекенділер мен сүйекті балықтарда анықталды. Кейбір зерттеулер барлық омыртқалы жануарлардың (адамдарды қоса алғанда) бір немесе бірнеше ортақ геномдық дубликацияларын бөлісетінін ұсынғанмен, бұл жағдайлардағы дәлелдер соншалықты мықты емес, себебі дубликациялар, егер олар болған болса, өте ертеде болған (өсімдіктердегі 200 миллион жылдан кем емес, шамамен 400-500 миллион жыл бұрын), және бұл мәселе әлі де талқыланып жатыр. Омыртқалы жануарлардың ортақ толық геномдық дубликациясын бөлісетіні туралы идея 2R гипотезасы деп аталады. Көптеген зерттеушілер жануарлар, әсіресе сүтқоректілердің геномдық дубликациясы өсімдіктерге қарағанда неге осылай сирек болатындығына қызығушылық танытады. Палеополиплоидия нан пісіруші ашытқысынан (Saccharomyces cerevisiae) табылды, оның геномы шағын және тығыз болғанымен (~13 Мбп), Kluyveromyces lactis және K. marxianus-тан айырылысқаннан кейін. Геномды ықшамдау арқылы ашытқы эволюциялық уақыт ішінде дубликацияланған геномның 90% бөлігін жоғалтты және қазір диплоидты организм ретінде танылды.

Ancient genome duplications are widespread throughout eukaryotic lineages, particularly in plants. Studies suggest that the common ancestor of Poaceae, the grass family which includes important crop species such as maize, rice, wheat, and sugar cane, shared a whole genome duplication about In more ancient monocot lineages one or likely multiple rounds of additional whole genome duplications had occurred, which were however not shared with the ancestral eudicots. Further independent more recent whole genome duplications have occurred in the lineages leading to maize, sugar cane and wheat, but not rice, sorghum or foxtail millet. A polyploidy event is theorized to have created the ancestral line that led to all modern flowering plants. That paleopolyploidy event was studied by sequencing the genome of an ancient flowering plant, Amborella trichopoda. The core eudicots also shared a common whole genome triplication (paleo hexaploidy), which was estimated to have occurred after monocot eudicot divergence but before the divergence of rosids and asterids. Many eudicot species have experienced additional whole genome duplications or triplications. For example, the model plant Arabidopsis thaliana, the first plant to have its entire genome sequenced, has experienced at least two additional rounds of whole genome duplication since the duplication shared by the core eudicots. The most recent event took place before the divergence of the Arabidopsis and Brassica lineages, about to Other examples include the sequenced eudicot genomes of apple, soybean, tomato, cotton, etc. Compared with plants, paleopolyploidy is much rarer in the animal kingdom. It has been identified mainly in amphibians and bony fishes. Although some studies suggested one or more common genome duplications are shared by all vertebrates (including humans), the evidence is not as strong as in the other cases because the duplications, if they exist, happened so long ago (about 400 500 Ma compared to less than 200 Ma in plants), and the matter is still under debate. The idea that vertebrates share a common whole genome duplication is known as the 2R Hypothesis. Many researchers are interested in the reason why animal lineages, particularly mammals, have had so many fewer whole genome duplications than plant lineages. A well supported paleopolyploidy has been found in baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae), despite its small, compact genome (~13Mbp), after the divergence from Kluyveromyces lactis and K. marxianus. Through genome streamlining, yeast has lost 90% of the duplicated genome over evolutionary time and is now recognized as a diploid organism.

Анықтау әдісі

Көшірілген гендер ДНК немесе белок деңгейіндегі тізбек гомологиясы арқылы анықталуы мүмкін. Палеополиплоидия молекулалық сағатты пайдалана отырып, бір уақыттағы гендердің жаппай көбеюі ретінде анықталады. Бүкіл геномның көбеюі мен (көбірек таралған) жеке гендердің көбею оқиғаларының жиынтығын ажырату үшін әдетте келесі ережелер қолданылады:

Көшірілген гендер үлкен көшірілген блоктарда орналасқан. Жеке геннің көбеюі – кездейсоқ процесс және геном бойынша шашыраңқы көшірілген гендерді жасауға бейім. Көшірілген блоктар бір-бірімен қабаттаспайды, өйткені олар бір уақытта пайда болған. Геном ішіндегі сегменттік көбею бірінші ережені орындай алады; бірақ бірнеше тәуелсіз сегменттік көбеюлер бір-бірімен қабаттасуы мүмкін. Теориялық тұрғыдан алғанда, екі көшірілген геннің "жасы" бірдей болуы керек; яғни, палеополиплоидиямен (гомеологтар) көбейтілген екі ген арасындағы тізбек дивергенциясы тең болуы керек. Синонимдік алмастыру жылдамдығы, Ks, геннің көбею уақытын анықтау үшін молекулалық сағат ретінде жиі қолданылады. Осылайша, палеополиплоидия көшірілген сандарға қарсы Ks графигінде (оң жақта көрсетілген) "төбе" ретінде анықталады. Дегенмен, ежелгі полиплоидтық оқиғаларды анықтау және құжаттау үшін Ks графиктерін пайдалану қиындықтар тудыруы мүмкін, өйткені бұл әдіс гендердің жаппай жойылуымен және геномды жетілдірумен бірге жүрген геномдық көбеюді анықтай алмайды. Палеополиплоидияны жақсырақ түсіну үшін Ks графиктерін басқа әдістермен біріктіретін жаңа әдістер әзірленуде. Эволюциялық желілер тарихында ерте заманда болған көбею оқиғаларын кейіннен диплоидтанудың (полиплоидтың уақыт өте цитогенетикалық тұрғыдан диплоидқа айналуы) салдарынан анықтау қиын болуы мүмкін, себебі мутациялар мен гендердің трансляциясы бірте-бірте әрбір хромосоманың бір көшірмесін оның әріптесінен ерекшелендіреді. Бұл әдетте өте ерте палеополиплоидияны анықтау үшін сенімсіздік деңгейінің төмендеуіне әкеледі.

Эволюциялық маңызы

Палеополиплоидтану оқиғалары жасушалардағы масштабты өзгерістерге алып келеді, оның ішінде генетикалық материалдың екі еселеуіне, гендік экспрессияның өзгеруіне және жасуша өлшемдерінің ұлғаюына. Диплоидтану кезінде гендердің жоғалуы толығымен кездейсоқ емес, керісінше, қатаң таңдауға ұшырайды. Ірі гендік отбасылардан гендер көбейтіледі, бірақ жеке гендер көбейтілмейді. Жалпы алғанда, палеополиплоидия табиғи ортада организмнің тіршілікке бейімділігіне қысқа және ұзақ мерзімді эволюциялық әсер ете алады.

Өңделген фенотиптік эволюция

Бүкіл геномды екі еселеу организмдердің жаңа биологиялық белгілерді қабылдау жылдамдығы мен тиімділігін арттыруы мүмкін. Дегенмен, бұл гипотезаны тексеру мақсатымен жасалған зерттеу, ертедегі телеост балықтарында (геномдары екі еселенген) және ертедегі голостеан балықтарында (геномдары екі еселенбеген) жаңа белгілердің эволюциялық жылдамдықтарын салыстырғанда, екеуі арасында айтарлықтай айырмашылық табылған жоқ.

Аллополиплоидия және автополиплоидия

Полиплоидияның екі негізгі түрі бар: аллополиплоидия және автополиплоидия. Аллополиплоидтар екі туыс түрдің будандасуы нәтижесінде пайда болады, ал автополиплоидтар бір түрдің геномының екі еселенуінен туындайды, бұл екі бір түрге жататын ата-ананың будандасуы немесе ата-ананың көбелек тініндегі соматикалық екі еселену арқылы жүзеге асуы мүмкін. Аллополиплоидты түрлер табиғатта жиірек кездеседі, бұл процесс зиянды немесе пайдалы болуы мүмкін. Ал автополиплоидия көбінесе бейтарап процесс саналады. Полиплоидия оқиғалары гетерозиготалық деңгейді жоғарылатады және уақыт өте келе геномдағы функционалды гендердің жалпы санының артуына әкелуі мүмкін. Геномдық дупликациядан кейін көптеген гендер өз функцияларын өзгертеді, бұл алло және автополиплоидты түрлер үшін дубликатталған гендердің функциясындағы өзгерістер немесе аллополиплоидтардағы геномдық дупликация нәтижесінде туындаған гендік реорганизацияға байланысты ген экспрессиясының өзгеруі болуы мүмкін. Егер геннің екі көшірмесі де сақталса, яғни көшірмелердің саны екі есеге артса, онда сол геннің экспрессиясы да пропорционалды түрде артуы мүмкін, нәтижесінде екі есе көп мРНК транскрипті өндіріледі. Сонымен қатар, дубликатталған геннің транскрипциясы төмендеуі мүмкін, бұл геннің транскрипциясын екі еседен аз арттырады, немесе дупликация оқиғасы транскрипцияның екі еседен көп өсуіне әкелуі мүмкін. Мысалы, Glycine dolichocarpa (сояның жақын туысы, Glycine max) түрінде шамамен 500 000 жыл бұрын геномдық дупликациядан кейін транскрипцияның 1,4 есеге артқаны байқалды, бұл дупликациядан кейін геннің көшірме санына шаққанда транскрипцияның пропорционалды түрде төмендегенін көрсетеді. 2R гипотезіне қарсы қосымша дәлелдер омыртқалы жануарлардағы ген отбасының төрт мүшесі арасында (AB)(CD) ағаш топологиясының болмауына негізделген. Дегенмен, егер екі геномдық дупликация бір-біріне жақын уақытта болса, онда мұндай топологияны табу күтілмейді. Жақында жүргізілген зерттеуде теңіз лампасының генетикалық картасы жасалды, ол базалық омыртқалылардың эволюциясында бір тұтас геномдық дупликация болғанын, оған дейін және кейін бірнеше тәуелсіз сегменттік дупликациялар болғанын көрсететін гипотезаны нығайта түсті.

There are two major divisions of polyploidy, allopolyploidy and autopolyploidy. Allopolyploids arise as a result of the hybridization of two related species, while autopolyploids arise from the duplication of a species' genome as a result of hybridization of two conspecific parents, or somatic doubling in reproductive tissue of a parent. Allopolyploid species are believed to be much more prevalent in nature, which can be either deleterious, or advantageous. Autopolyploidy, however, is generally considered to be a neutral process, Polyploidy events will result in higher levels of heterozygosity, and, over time, can lead to an increase in the total number of functional genes in the genome. As time passes after a genome duplication event, many genes will change function as a result of either change in duplicate gene function for both allo and autopolyploid species, or there will be changes in gene expression caused by genomic rearrangements induced by genome duplication in allopolyploids. When both copies of a gene are retained, and thus the number of copies doubled, there is a chance that there will be a proportional increase in expression of that gene, resulting in twice as much mRNA transcript being produced. There is also the possibility that transcription of a duplicated gene will be down regulated, resulting in less than two fold increase in transcription of that gene, or that the duplication event will yield more than a two fold increase in transcription. In one species, Glycine dolichocarpa (a close relative of the soybean, Glycine max), it has been observed that following a genome duplication roughly 500,000 years ago, there has been a 1.4 fold increase in transcription, indicating that there has been a proportional decrease in transcription relative to gene copy number following the duplication event. Additional arguments against 2R were based on the lack of the (AB)(CD) tree topology amongst four members of a gene family in vertebrates. However, if the two genome duplications occurred close together, we would not expect to find this topology. A recent study generated the sea lamprey genetic map, which yielded strong support for the hypothesis that a single whole genome duplication occurred in the basal vertebrate lineage, preceded and followed by several evolutionarily independent segmental duplications that occurred over chordate evolution.