Hvordan Supergenes brændstofudvikling på trods af skadelige mutationer

Tusindvis af kilometer fra hjemmet i den dampende Amazonas regnskov i midten af ​​1800-tallet havde den britiske naturforsker Henry Walter Bates et problem. Mere end én, virkelig; der var bidende insekter i tommelfingerstørrelse, den altid tilstedeværende trussel om malaria, giftige slanger og skimmelsvamp og meldug, der truede med at overhale hans dyrebare eksemplarer, før de kunne sendes tilbage til England. Men det nagende videnskabelige problem, der generede ham, involverede sommerfugle.

Bates havde bemærket, at nogle af de farvestrålende Heliconius sommerfugle i skoven flaksede ikke som de andre; de bevægede sig langsommere. Da han fangede dem og undersøgte dem under sit provisoriske mikroskop, opdagede han, at de ikke rigtig var Heliconius overhovedet, men forbløffende look-alikes fra ikke-beslægtede familier af sommerfugle.

På det tidspunkt, hvor Bates' opdagelse nåede de videnskabelige erkendelser i England, kunne Charles Darwins dengang nye forslag om naturlig udvælgelse forklare, hvorfor denne strålende mimik fandt sted. Fugle og andre rovdyr undgår Heliconius sommerfugle, fordi de er giftige at spise, med en bitter smag. Efterligningerne var ikke giftige, men fordi de lignede den dårlige smag Heliconius, var de mindre tilbøjelige til at blive spist. Jo tættere ligheden er, jo stærkere er beskyttelsen.

Hvad Bates og mange senere evolutionære biologer ikke kunne forklare var, hvordan denne mimik var mulig. At få de rigtige nuancer af akvamarin og brændende orange på de rigtige steder på vingerne krævede en konstellation af præcist afstemte gener. Disse egenskaber ville skulle nedarves med fuldkommen troskab, generation efter generation, for at bevare Heliconius forklædning. Måske ægte Heliconius sommerfugle kunne tillade sig at afvige en smule i farve, fordi deres toksiner stadig kunne lære rovdyr at holde sig væk i fremtiden, men efterligningerne skulle være konsekvent fejlfrie replikaer. Alligevel burde den tilfældige omrokering og genblanding af træk i seksuel reproduktion hurtigt have forstyrret de væsentlige farvemønstre.

I dag ved vi, at i mange arter er svaret supergener - DNA-strækninger, der låser flere gener sammen til en enkelt arvelig enhed. "De er lidt af et wild card," sagde Marte Sodeland, molekylær økolog ved Universitetet i Agder i Norge. Denne aggregerede form for arv "har åbenlyse fordele, fordi den tillader hurtig tilpasning, men der er meget, vi ikke ved endnu."

Supergener virkede engang som en evolutionær særhed, men stigningen i genetisk sekventering har vist, at de er langt mere almindelige, end forskere troede. Ikke alle supergener kan tjene en funktion, men arbejdet i de seneste par år har afsløret, at egenskaber i en lang række dyre- og plantearter kan være drevet af disse grupper af gener, der fungerer som et enkelt gen. Supergener hjælpe vilde solsikker tilpasse sig en række miljøer, såsom klitter, kystsletter og barriereøer. I andre familier af planter producerer de subtile, men vigtige variationer i deres kønsorganer og frugtbarhed, der hjælper med at forhindre indavl. Forskning offentliggjort sidste forår viste, at hos nogle ildmyrearter bestemmer supergener, hvilken type social organisation dominerer — om en koloni har en enkelt yngledronning eller mere end én, eller om den producerer flere hanner eller hunner. (Specifikke supergener hos mennesker er ikke blevet bekræftet, men sandsynlige kandidater er fundet.)

Supergener ser også ud til at rumme forklaringer på mange langvarige evolutionens mysterier, såsom hvordan arter nogle gange hurtigt kan tilpasse sig nye miljøer, hvordan populationer nogle gange kan udvikle sig i forskellige retninger, selv mens de lever tæt sammen, og hvorfor nogle arter har "afbalancerede dødelige systemer". ” af avlen, sådan at de skal have to forskellige versioner af et kromosom for at overleve.

Men supergener er ikke almægtige. Nyligt arbejde med udviklingen af ​​supergener tegner et nuanceret billede af deres virkninger. Disse teoretiske modeller og undersøgelser af virkelige populationer har vist, at supergener ofte akkumulerer skadelige mutationer langt hurtigere end andre stykker DNA gør, og dette kan gradvist føre til degenerative effekter, der underminerer de oprindelige fordele.

Adskillelse af det genetiske vaskeri

Definitionen af ​​et supergen er ret teknisk, og videnskabsmænd skændes stadig om dets finesser, selvom konceptet har eksisteret siden 1930'erne. Men på sit simpleste niveau, siger Simon Martin, en evolutionær biolog ved University of Edinburgh, er et supergen en gruppe gener, der nedarves sammen som en enhed, ofte med en masse andet ikke-kodende DNA.

"Du kan fortsætte med at producere to forskellige egenskaber med flere gener og ikke bekymre dig om, at de bliver rodet sammen," sagde Martin.

Den sammenblanding sker ofte under produktionen af ​​ægceller og sædceller. I den proces stiller de moderlige og faderlige kopier af kromosomer sig på linje og bytter tilfældigt dele af DNA i en ballet kaldet rekombination. Rekombination afdækker naturens væddemål om værdien af ​​forskellige permutationer af gener; det øger den genetiske mangfoldighed og hjælper med at luge ud af skadelige mutationer.

Supergeners superkraft er, at de blokerer for dette. Typisk indeholder supergener DNA-deletioner, -insertioner eller -inversioner (sekvenser, der blev skåret ud og splejset baglæns). Som et resultat er disse dele af det kromosomale DNA ikke på linje med en partner og er langt mindre tilbøjelige til at rekombinere.

I 1970'erne viste forskere, at denne samme mekanisme - med fejljusteringer i kromosomer, der blokerer rekombination i segmenter af kromosomer, der derefter fortsætter med at miste gener - førte til udviklingen af ​​Y kønskromosomer fra X-kromosomer hos pattedyr. Kønskromosomer er i bund og grund supergener, der løber amok. Både supergener og kønskromosomer eksisterer, fordi der nogle gange er en fordel ved at have nogle sæt gener nedarvet sammen, siger Deborah Charlesworth, en af ​​de evolutionære genetikere, der var banebrydende i kønskromosomstudierne og for nylig pensionerede University of Edinburgh. I disse tilfælde, "ville det være ideelt ikke at have nogen rekombination, men at få de ting, der passer godt sammen, hængende sammen for altid," sagde hun.

For at forstå, hvorfor det kan være fordelagtigt, tænk på at vaske tøj, siger Emma Berdan, en evolutionsbiolog ved Göteborgs Universitet i Sverige. Lad os sige, at du har en kurv med hvide håndklæder og en kurv med røde håndklæder. Rekombination svarer til at smide begge læs i den samme tromle, vende det varme vand på og trykke på start. Resultatet er en masse lyserøde håndklæder. Men den evolutionære ækvivalent til lyserøde håndklæder er ofte ikke et problem, siger Berdan: En blanding af egenskaber kan være gavnlig.

Nogle gange har livet dog gavn af at holde sit genetiske vasketøj adskilt. For Bates' Heliconius butterfly mimics, at have en blanding af farvestænk fra forskellige gener kan være katastrofalt. Sommerfuglene høster kun belønningen af ​​mimik, hvis de ligner nok Heliconius at narre rovdyr.

Det er derfor, mange forskere har undersøgt, hvordan supergener opstår, og hvad konsekvenserne for arter kan være, når deres supergener fortsætter med at udvikle sig. At forstå oprindelsen af ​​et supergen er "et af de mest udfordrende spørgsmål," sagde Tanja Slotte , en evolutionær genetiker ved Stockholm Universitet, der studerer supergener i planter. "Og det er ikke givet, at det endda altid er muligt."

I en nylig indsats, Katie Lotterhos, en evolutionær marinebiolog ved Northeastern University, byggede en computermodel til at studere de første foreløbige skridt taget på vejen fra inversion til supergen. Hendes model, offentliggjort i Filosofiske transaktioner fra Royal Society B i august, som en del af et særligt nummer om supergener, viste, at jo større den oprindelige DNA-flip-flop er, jo mere sandsynligt var det, at et supergen ville udvikle sig. Årsagen var enkel: Et større omvendt fragment af DNA var mere tilbøjelige til at fange flere gener og låse dem sammen som en enkelt enhed. Enhver gavnlig mutation, der opstår inden for inversionen, kunne så fremme spredningen af ​​den som et supergen.

Men den vigtigere indsigt fra Lotterhos' model var, at inversioner i sig selv ikke nødvendigvis giver en evolutionær fordel. Hvis en suite af gener allerede er godt tilpasset sine omgivelser, vil låsning af den i en inversion ikke pludselig tillade den at tage fart som et supergen. Det faktum kan være med til at forklare, hvorfor komplekse vitale egenskaber ikke rutinemæssigt sikres som supergener: Almindelige selektionstryk er ofte tilstrækkelige til at bevare egenskaberne.

Spørgsmålet om, hvorvidt en tilpasning går forud for en inversion eller omvendt, indså Lotterhos, måske aldrig kan besvares. "Hvad kommer først, inversionen eller tilpasningen?" hun sagde. "Det er nok lidt af begge dele."

Omkostningerne ved Supergener

Supergener tilbyder robuste fordele ved nedarvning af adaptive egenskaber, men de har en pris.

Tænk tilbage på Berdans vasketøjsanalogi: Vask af røde og hvide håndklæder i en enkelt omgang fjerner farveforskellene mellem de to sæt sengetøj. Men hvis du river eller pletter et pink håndklæde, har du et identisk pink håndklæde, du kan bruge som backup. Hvis en kopi af et kromosom opfanger en skadelig mutation, der bryder et gen, vil der sandsynligvis være en fungerende sikkerhedskopi på det matchende kromosom for at hjælpe organismen med at overleve. Og da rekombination sikrer, at mutationen nedarves uafhængigt af andre gener, kan naturlig selektion luge ud i mutationen over tid.

For supergener er det dog ikke sandt. Da de sjældent rekombinerer, har eventuelle skadelige mutationer, de erhverver, en tendens til at blive på plads. Fordelene ved supergener kan derfor være ledsaget af betydelige ulemper. For eksempel Berdan og Benjamin Wielstra fra Institute of Biology Leiden har fundet ud af, at i salamanderen kaldet crested newt, er halvdelen af ​​de æg, den lægger, ikke levedygtige pga. alle mutationerne der er bygget op i ét supergen. Deres supergener ser ud til at holde deres reproduktive succes tilbage.

Supergener kan også komplicere parringsprocessen. Hos nogle arter skaber supergener et avlssystem, der i realiteten har fire køn. På grund af et supergen i de nordamerikanske fugle kaldet hvidhalsspurve, for eksempel, er der to "morfer" med uens farve og adfærd. Hannerne skal ikke kun finde hunner, men de skal finde en partner fra den modsatte form. Ellers vil afkom dø enten af ​​at arve supergener fra begge forældre eller af at arve ingen. Kun kyllinger, der modtager en "afbalanceret dødelig" arv af et supergen og et almindeligt segment af kromosomer, overlever.

Med så høj en pris er det et under, at supergener overhovedet udviklede sig, siger Berdan. "Ethvert sæt af varianter vil være virkelig svært at vedligeholde, især over millioner af generationer," sagde hun. "Det er et af supergeners store mysterier." Hun foreslog, at flere typer udvælgelse kunne arbejde sammen for at bevare supergener, og at visse miljøer kunne være mest befordrende for deres vedholdenhed i befolkningen.

Ironisk nok synes en af ​​de mekanismer, der nogle gange kan bevare supergener, at være rekombination - det fænomen, som de normalt modstår. Amanda Larracuente, en evolutionær genetiker ved University of Rochester, og hendes medforfattere beskrev et sådant tilfælde sidste april in eLIFE.

Larracuente var oprindeligt ikke interesseret i supergener eller deres evolutionære omkostninger. Hendes fokus var på egoistiske gener, DNA-segmenter, der formerer sig i populationer uden at gavne deres værter. Hun var fascineret af et egoistisk gen kaldet Segregation Distorter (SD), der opstod i visse frugtfluer i Zambia og skævvrider deres afkoms kønsforhold. "Det er en spermdræber," forklarede hun, men den dræber kun sperm, der ikke bærer et kromosom med SD.

Engang inden for de sidste 3,000 år, en version af SD fangede et stort stykke kromosomalt DNA, hvilket skabte et supergen kendt som SD-Mal som spredte sig til frugtfluepopulationer i hele Afrika. "Det er virkelig det ultimative egoistiske gen," sagde Larracuente.

DNA-sekventering og analyse af Larracuente, Daven Presgraves og deres kolleger viste, at kromosomer med SD-Mal akkumulerer skadelige mutationer, som forudsagt af den næsten fuldstændige mangel på rekombination mellem SD-Mal og dets søsterkromosom. Men forskerne fandt ikke så mange mutationer, som de forventede.

Årsagen, opdagede de, er, at en flue af og til vil arve to kromosomer med SD-Mal - og de to supergener er lige ens nok til at tillade en vis rekombination mellem dem. Den rekombination gør det igen muligt for nogle få skadelige mutationer at blive renset fra fluernes supergener over tid.

"Som det viser sig, er bare en lille smule rekombination nok," sagde Larracuente. Hun og Presgraves leder nu efter andre SD supergener i vilde frugtfluepopulationer for spor til evolutionen og virkningerne af supergener mere generelt.

Deres resultater viser, at de rensende virkninger af rekombination på genomer aldrig ophører med at være vigtige. De komplekse egenskaber, som den stabile, forudsigelige nedarvning af supergener muliggør, kan være uvurderlige til at hjælpe arter med at tilpasse sig, men selv supergenerne kan drage fordel af at blande tingene sammen en gang imellem.