Супергены: кластеры генов и наследование сложных признаков.

Введение

Кластер генов

Суперген – это хромосомный регион, охватывающий несколько соседних генов, которые наследуются совместно из-за тесной генетической сцепленности, то есть с гораздо меньшей частотой рекомбинации, чем ожидается в норме. Такой способ наследования может быть вызван геномными перестройками между вариантами супергена. Регион супергена может содержать небольшое количество функционально связанных генов, которые явно вносят вклад в общий фенотип.

Фенотипы, кодируемые супергенами

Супергены проявляют цис-эффект благодаря множеству локусов (которые могут располагаться внутри гена или в регуляторной области одного гена) и тесной сцепленности. Они классически полиморфны, то есть различные варианты супергена кодируют разные фенотипы. К классическим супергенам относятся многие половые хромосомы, гетеростильный локус примулы, контролирующий типы "шило" и "молот", и локус, определяющий батесовский миметический полиморфизм у бабочек *Papilio memnon*. Недавно обнаруженные супергены отвечают за сложные фенотипы, включая цветовые морфы у белогрудого воробья. Суперген примулы. Морфы "шило" и "молот" у примулы влияют на генетическую совместимость (скрещивания "шило x пыльца молота" или "молот x пыльца шила" успешны, в то время как скрещивания "шило x шило" и "молот x молот" редко бывают успешными из-за несовместимости столбика и пыльцы), а также характеризуются различной длиной столбика, высотой тычинок в трубке венчика, размером пыльцы и размером сосочков на рыльце. Каждый из этих признаков контролируется отдельным локусом в пределах одного и того же супергена, однако иногда встречаются рекомбинанты, сочетающие признаки морфов "шило" и "молот".

Происхождение

Наиболее раннее использование термина "суперген" встречается, возможно, в статье А. Эрнста (1936) в журнале Archiv der Julius Klaus Stiftung für Vererbungsforschung, Sozialanthropologie und Rassenhygiene. Классически предполагалось, что супергены эволюционировали из менее плотно сцепленных генов, объединившихся в результате перестройки хромосом или снижения кроссинговера под действием отбора, благоприятствующего определенным мультилокусным фенотипам. Например, в супергенах, лежащих в основе батезианской мимикрии у видов, таких как *Papilio memnon*, гены должны влиять на окраску задних и передних крыльев, а также тела, и на наличие или отсутствие длинных выростов ("хвостов" махаонов). Аргументы в пользу кумулятивного происхождения супергенов первоначально основывались на работах Набурса по полиморфизму окраски и рисунка у саранчи-кобылки (Tetrigidae). У *Acridium arenosum* цветочные узоры контролируются тринадцатью генами на одной хромосоме, которые относительно легко перекомбинируются. Они также встречаются у *Apotettix eurycephalus*, где формируют две тесно сцепленные группы, между которыми наблюдается 7% кроссинговера. Кроме того, у *Paratettix texanus* наблюдается, по-видимому, полное подавление кроссинговера между 24 из 25 генов, определяющих окраску, которые можно различить, сравнивая их эффекты с эффектами, наблюдаемыми у других видов. Анализ данных Набурса, проведенный Дарлингтоном и Мазером, показал, что гены, ответственные за морфы *Paratettix texanus*, постепенно агрегировались в группу, функционирующую как единый переключающий механизм. Это объяснение было принято Э.Б. Фордом и включено в его работы по экологической генетике. Этот процесс может включать подавление кроссинговера, транслокацию хромосомных фрагментов и, возможно, случайное дублирование цистронов. Известно уже много лет, что кроссинговер может подавляться отбором; Детлефсену и Робертсу удалось снизить рекомбинацию между локусами, определяющими белые глаза (*w*) и миниатюрные крылья (*m*) у *Drosophila melanogaster* с нормальных 36% до 6% в одной линии и 0,6% в другой. Дискуссии, как правило, сосредоточены вокруг вопроса: могли ли компоненты генов в супергене изначально находиться на разных хромосомах с последующей реорганизацией, или для их существования необходимо начинать на одной хромосоме? Многие ученые сегодня придерживаются последнего мнения, поскольку для отбора более тесной сцепленности изначально требуется определенная неравновесность сцепления, а неравновесность сцепления требует предшествующего существования полиморфизмов посредством какого-либо другого процесса, например, естественного отбора, благоприятствующего комбинациям генов. Если гены слабо сцеплены, вероятно, что более редкий благоприятный гаплотип исчезнет, что приведет к потере полиморфизма в другом локусе. Большинство исследователей, следуя за Дж.Р.Г. Тернером, утверждают, что супергены возникли *in situ* в результате отбора коррелирующих и эпистатических признаков, которые случайно оказались возможными для отбора благодаря существованию подходящих локусов, тесно сцепленных с исходным вариантом. Тернер называет это "ситовым" объяснением, а объяснение Тернера можно назвать "ситовым гипотезой Тернера". Мэйнард Смит согласился с этим мнением в своем авторитетном учебнике. Тем не менее, вопрос остается открытым. Эта проблема связана с еще более широким вопросом – эволюцией эволюционируемости.

The earliest use of the term "supergene" may be in an article by A. Ernst (1936) in the journal Archiv der Julius Klaus Stiftung für Vererbungsforschung, Sozialanthropologie und Rassenhygiene. Classically, supergenes were hypothesized to have evolved from less tightly linked genes coming together via chromosomal rearrangement or reduced crossing over, due to selection for particular multilocus phenotypes. For instance, in Batesian mimicry supergenes in species such as Papilio memnon, genes are required to affect hind wing, fore wing, and body colour, and also the presence or absence of long projections (the "tails" of swallowtail butterflies). The case for the accumulative origin for supergenes was originally based on the work of Nabours on polymorphism for colour and pattern in grouse locusts (Tetrigidae). In Acridium arenosum the colour patterns are controlled by thirteen genes on the same chromosome, which reassort (recombine) fairly easily. They also occur in Apotettix eurycephalus where they form two tightly linked groups, between which there is 7% crossing over. Furthermore, in Paratettix texanus there appears to be complete suppression of crossing over among 24 out of 25 of the colour pattern genes, which can be distinguished by comparing their effects with those found in other species. Analysis of Nabour's data by Darlington & Mather concluded that the genes responsible for the morphs of Paratettix texanus have been gradually aggregated into a group which acts as a single switch mechanism. This explanation was accepted by E. B. Ford and incorporated into his accounts of ecological genetics. This process might involve suppression of crossing over, translocation of chromosome fragments and possibly occasional cistron duplication. That crossing over can be suppressed by selection has been known for many years; Detlefsen and Roberts were able to reduce recombination between the loci for white eyes (w) and miniature wings (m) in Drosophila melanogaster from the normal 36% to 6% in one line and 0.6% in another. Debate has tended to centre round the question, could the component genes in a super gene have started off on separate chromosomes, with subsequent reorganization, or is it necessary for them to start on the same chromosome? Many scientists today believe the latter, because some linkage disequilibrium is initially needed to select for tighter linkage, and linkage disequilibrium requires both the previous existence of polymorphisms via some other process, like natural selection, favouring gene combinations. If genes are weakly linked, it is probable that the rarer advantageous haplotype dies out, leading to the loss of polymorphism at the other locus. Most people, following J. R. G. Turner, therefore argue that supergenes arose in situ due to selection for correlated and epistatic traits, which just happened to have been possible to select via the existence of suitable loci closely linked to the original variant. Turner calls this a "sieve" explanation, and the Turner explanation might be called the "Turner sieve" hypothesis. Maynard Smith agreed with this view in his authoritative textbook. Nevertheless, the question is not definitively settled. The problem is connected to an even larger question, the evolution of evolvability.

Геномная структура

Перестройка генома, такая как инверсия, может подавлять рекомбинацию. Подавленная рекомбинация приводит к накоплению повторяющихся элементов (включая дегенеративное расширение) на ранних этапах эволюции супергена [Ref Papaya, Fire ant] и к изменениям в экспрессии генов [ref Fire ant, anther smut].

Комплексы генов не являются супергенами

Генные комплексы, напротив, представляют собой просто тесно сцепленные группы генов, часто возникающие в результате дупликации генов (иногда называемой тандемной дупликацией, если дубликаты расположены рядом друг с другом). В таких комплексах каждый ген выполняет схожую, хотя и несколько отличающуюся функцию. Например, область главного комплекса гистосовместимости человека (MHC) является комплексом тесно сцепленных генов, участвующих в работе иммунной системы, но не может считаться супергеном, несмотря на то, что отдельные гены, вероятно, проявляют эпистатическое взаимодействие и находятся в сильном неравновесии из-за отбора.