معلومة

هل هناك أي نظام لكيفية انتشار الجينات عبر الكروموسومات؟

هل هناك أي نظام لكيفية انتشار الجينات عبر الكروموسومات؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يحتوي كل كروموسوم باعتباره جزيء DNA ملفوفًا على آلاف الجينات أو أكثر.

الآن ، هل هناك أي نظام لماذا ينتقل الجين A إلى الكروموسوم K والجين B إلى الكروموسوم J؟


بالنسبة للتقدير الأول ، "ليس من المروع" القول بأن الجينات تنتشر بشكل عشوائي. في عرض أكثر تفصيلاً ، يكون الأمر أكثر تعقيدًا بعض الشيء.

Homochromatin مقابل heterochromatin

لا تنتشر الجينات بالتساوي داخل الكروموسومات. عادة ، تكون كثافة الجينات أقل في السنتروميرات.

سوبرجينس

من ويكيبيديا> سوبرجينس

الجين الفائق هو مجموعة من الجينات المجاورة على الكروموسوم والتي يتم توريثها معًا بسبب الارتباط الجيني الوثيق وترتبط وظيفيًا بمعنى تطوري ، على الرغم من أنه نادرًا ما يتم تنظيمها وراثيًا بشكل مشترك

حسب فهمي ، قد يظهر هذا الجين الفائق عن طريق إعادة ترتيب الكروموسومات أو عن طريق تكرار تكرار الجينات القريبة.

Supergene و synteny

من ويكيبيديا> synteny

في علم الوراثة الكلاسيكي ، يصف التخليق التوطين الفيزيائي المشترك للمواضع الجينية على نفس الكروموسوم داخل الفرد أو الأنواع. اليوم ، ومع ذلك ، يشير علماء الأحياء عادةً إلى التخليق على أنه حفظ كتل النظام داخل مجموعتين من الكروموسومات التي تتم مقارنتها مع بعضها البعض. يمكن أيضًا الإشارة إلى هذا المفهوم باسم synteny المشتركة.

المثال الكلاسيكي للجينات الفائقة مع الحفاظ على التركيب العالي بين الفقاريات هو حالة جينات Hox (Amores et al. ، 1998).

الكروموسوم الجنسي

الكروموسوم الجنسي هو نوع من الجينات الضخمة! تأمل ، على سبيل المثال ، حالة الثدييات.

ضع في اعتبارك موضعًا يؤثر على تحديد الجنس (SD) مثل جين SRY (ترميز TDF) في الثدييات على سبيل المثال. أي جينات مفيدة للذكور وضارة للإناث ستكسب عندما تصبح مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بجين SD هذا. بمرور الوقت ، يتم تقليل إعادة ترتيب الجينات وإعادة التركيب (بشكل رئيسي من خلال الانقلابات الصبغية إذا لم أكن مخطئًا). عندما يتم تقليل إعادة التركيب ، يمكن أن تتراكم الطفرات الضارة من خلال سقاطة مولر وفي النهاية يتم فقد قطع من الكروموسومات للتخلص من هذه الطفرات الضارة. هذه هي الطريقة التي يتطور بها كروموسوم Y (بالنظر إلى حالة الثدييات ، كروموسوم W في الطيور) ليصبح صغيرًا جدًا مقارنة بالكروموسوم X (أو كروموسوم Z في الطيور).

كروموسومات أخرى شبيهة بـ Y

يمكن أن تؤدي الجينات العملاقة الضخمة الأخرى إلى كروموسومات تشبه Y. على سبيل المثال ، Wang et al. (2013) تقرير عن وجود كروموسوم اجتماعي يشبه Y في النمل الناري.

مصدر إضافي للمعلومات عن تطور الكروموسوم الجنسي

المنشور هل الذكور من جميع الأنواع الجنسية لديهم كروموسومات Y؟ قد تهمك. Charlesworth (1991) و Charlesworth et al. (2005) قد يكون أيضًا قراءات جيدة.


في بدائيات النوى ، غالبًا ما تكون جينات المسار الواحد بجوار بعضها البعض ، ويتم نسخها معًا كوحدة واحدة. لذلك بالنسبة لتلك الجينات ، فإن موقعها مهم للغاية.


سنترومير

مقدمة

يحتوي كل كروموسومات طبيعية على مركز واحد. يمكن أن يختلف موقعه على طول الكروموسوم. تحتوي الكروموسومات المترامية على مركز يقع في منتصف الطريق بين نهايات الكروموسوم ، ويفصل بين ذراعي الكروموسوم ( شكل 1 ). تسمى الكروموسومات ذات السنتروميرات الموضوعة بشكل واضح خارج المركز تسمى تحت المركز. الكروموسومات acrocentric و telocentric لها مراكز متوضعة قريبة جدًا من الكروموسوم وفي نهايته ، على التوالي. في حالة telocentrics ، يكون السنترومير في نهاية الكروموسوم المجاور للتيلومير. أثناء الطور الاستباقي في العديد من الكائنات الحية ، عندما تكون الكروموسومات في أقصى تكثيف لها ، من الممكن تصور السنترومير على أنه انقباض حيث يتم تجميع كروماتيدات الكروموسوم المتكرر معًا.

شكل 1 . مواقف السنتروميرات على الكروموسومات حقيقية النواة. في الكروموسومات المترية ، يقع المركز (بيضاوي رمادي) في منتصف الكروموسومات ، ويقسم بالتساوي ذراعي الكروموسومات. تحتوي الكروموسومات دون المتاخمة على السنترومير الموجود خارج المركز بشكل واضح. يتم تعريف الكروموسومات Acrocentric و telocentric على أنها تحتوي على centromere بالقرب من الكروموسوم وفي نهايته ، على التوالي.


خلفية

لقد ثبت أن أحداث فقدان الجينات واكتساب الجينات تلعب دورًا مهمًا في تطور الكروموسومات الجنسية XY و ZW في العديد من سلالات metazoan المختلفة. الأنواع التي تحتوي على كروموسومات XY لديها فائض كبير من الجينات التي تخرج من كروموسوم X مقارنة مع الجينات الذاتية ، وتميل هذه الجينات إلى اكتساب تعبير متحيز للذكور أو خاص بالذكور ، مما يشير إلى أنها تلعب دورًا في تكاثر الذكور [1-4]. الآليات التطورية الرئيسية التي تم طرحها لشرح حركات الجينات الخارجة عن X هي تعطيل كروموسوم الجنس الانتصافي (MSCI) [1 ، 5] ، العداء الجنسي [6 ، 7] ، تعويض الجرعة [8 ، 9] والدافع الانتصافي [10]. في الكائنات الحية ذات التغاير الأنثوي (أنظمة ZW) ، لوحظت عملية مكافئة ، تتضمن نقل الجين من كروموسوم Z إلى جسيمات ذاتية واكتساب أنماط تعبير متحيزة للإناث (منحازة للمبيض) [11]. لا تتميز كروموسومات X و Z بفقدان الجينات فحسب ، بل إنها شهدت أيضًا مكاسب متكررة ومتقاربة للجينات الفردية أو المناطق الجينومية ، ومعظمها لها دور مفيد للذكور [12].

وبالمثل ، فإن تطور كروموسوم الجنس الموجود في جنس واحد فقط في الأنظمة غير المتجانسة (Y أو W) قد تشكل بفقدان الجينات واكتسابها. تباعد كل من تيريان X و Y والطيور Z و W

قبل 130 مليون سنة ، على التوالي. بعد ذلك ، فقدت كروموسومات Y / W معظم الجينات التي كانت موجودة في البداية على الجسيمات الذاتية التي نشأت منها. للقرود و ذبابة الفاكهة، فإن الجينات التي تبقى على Y تميل إلى أن يكون لها وظائف خاصة بالذكور [13] ، ولكن هذا ليس هو الحال بالنسبة للجينات التي بقيت على W الخاص بالأنثى في الطيور ولا يبدو أن كروموسومات W هذه لها دور في تحديد خصوبة الإناث [14]. تم اقتراح مجموعة متنوعة من النماذج التطورية لشرح انحطاط Y عبر جميع الكائنات الحية التي تمت دراستها حتى الآن [13]. السمة المشتركة لهذه النماذج هي أن فعالية الانتقاء الطبيعي تنخفض بشدة في الكروموسوم غير المعاد توحيده. ومن المثير للاهتمام أن الجينات قد انتقلت أيضًا إلى كروموسوم Y في بعض الكائنات الحية. على سبيل المثال ، لعب اكتساب الجينات دورًا بارزًا في تطور ذبابة الفاكهة سوداء البطن نعم [15]. تميل الجينات التي تنتقل إلى Y من موقع جسمي إلى اكتساب وظائف ذكورية [5 ، 16 ، 17]. كما تم توثيق التغيرات الديناميكية في المحتوى الجيني لكروموسومات النبات Y ، بما في ذلك فقدان الجينات واكتساب الجينات التي لها دور في تكاثر الذكور [6 ، 18 ، 19].

ركزت دراسات ديناميات حركة الجينات داخل وخارج الكروموسومات الجنسية على الكائنات الحية النموذجية ذات الكروموسومات الجنسية XY أو ZW ، ولا نعرف شيئًا تقريبًا عن ديناميكيات اكتساب / فقدان الجينات في نوع ثالث من نظام الكروموسومات الجنسية الموجود في حقيقيات النوى متعددة الخلايا ، الكروموسومات الجنسية للأشعة فوق البنفسجية [20]. في أنظمة الأشعة فوق البنفسجية ، يتم تحديد جنس الفرد والتعبير عنه خلال المرحلة الفردية من دورة الحياة اعتمادًا على ما إذا كان البوغ يتلقى كروموسوم U أو V بعد الانقسام الاختزالي. على الرغم من أن أنظمة الأشعة فوق البنفسجية تشترك في العديد من الميزات المشتركة مع أنظمة XY / ZW ، إلا أن لها أيضًا العديد من الاختلافات ولها آثار تطورية وجينومية مهمة. كما هو الحال مع أنظمة XY أو ZW ، من المتوقع أن تتطور أنظمة الأشعة فوق البنفسجية لقمع إعادة التركيب بشرط وجود اختلاف في القوة و / أو اتجاه الاختيار بين الجنسين [21]. من المتوقع أن تؤدي الاختلافات في الانتقاء إلى ربط أقوى للأليلات المفيدة للإناث بالكروموسوم U والأليلات المفيدة للذكور بالكروموسوم V ، على التوالي ، وهذا سيؤدي في النهاية إلى توسع منطقة عدم إعادة الاتحاد. كما هو الحال في أنظمة XY / ZW ، فإن فقدان إعادة التركيب وتراكم الأليلات الضارة عن طريق الانجراف واختيار الخلفية (على سبيل المثال ، [22]) يمكن أن يساعد في ظهور وانتشار نسخ وظيفية من جينات الكروموسوم الجنسي على الجينات ، متبوعًا بفقدانها من المناطق الخاصة بـ U و V [21]. على النقيض من أنظمة XY و ZW ، فإن الانحطاط الناتج عن تراكم الطفرات الضارة على الكروموسومات U و V يجب أن يؤثر على الكروموسومين بشكل متماثل وبدرجة أقل مما يؤثر على W أو Y ، لأنهم لا يعانون من انخفاض ملحوظ في حجم السكان الفعال (نصف لـ U أو V مقارنة بالجسم الذاتي ولكن ربعًا لـ Y أو W) ولأن U و V يتعرضان لانتقاء فردي [21 ، 23]. لهذه الأسباب ، من المتوقع أن يحدث تنكس الكروموسوم الجنسي بشكل أبطأ في الأشعة فوق البنفسجية مقارنة بأنظمة XY / ZW ويجب أن تحتوي الأولى على جزء أكبر من الجينات الوظيفية طويلة الأمد. من المتوقع أن يتم إصلاح الأليلات البديلة للجينات على U و V التي تخضع لموازنة الانتقاء و / أو الانتقاء المضاد للجنس و / أو الانتقاء المضاد للعداء ، مما يساهم في مستوى عالٍ من التمايز [21]. نتيجة لهذه الاختلافات بين أنظمة XY / ZW و UV ، يمكن أن توفر التحليلات المقارنة لفئتي النظام رؤى مهمة في العمليات التطورية الكامنة وراء تطور كروموسوم الجنس.

الطحالب البنية هي مجموعة من الكائنات البحرية في الغالب والتي لها أهمية خاصة من وجهة نظر تطورية لأنها تمثل أحد السلالات الخمسة الرئيسية التي طورت تعدد الخلايا المعقدة ولأنها مرتبطة بشكل بعيد جدًا بالنباتات والحيوانات البرية (أكثر من مليار سنوات من التطور المستقل). تُظهر الطحالب البنية تنوعًا ملحوظًا في التعقيد المورفولوجي وتشمل بعضًا من أكبر الكائنات الحية على وجه الأرض. Ectocarpales و Laminariales (عشب البحر) هما رتبتان رئيسيتان من الطحالب البنية تباعدتا عن بعضهما البعض منذ حوالي 80-110 سنة مضت [24 ، 25]. إنها تظهر مستوى عالٍ من التنوع من حيث دورات حياتها ، ودرجة ازدواج الشكل الجنسي والتعقيد المورفولوجي لأجيال الطور البوغي والنمط المشيجي [26]. أعضاء كلا الرتبتين لديهم دورات حياة أحادية الصبغية - ثنائية الصبغيات وأنظمة كروموسوم الجنس فوق البنفسجية [27]. الكروموسومات الجنسية U و V لنموذج الطحالب البنية إكتوكاربوس تم تمييزها مؤخرًا ، وهناك أدلة على أن الكروموسومات الجنسية U و V من Ectocarpales و Laminariales لها أصل مشترك [27 ، 28].

في هذه الدراسة ، استخدمنا تسلسل الجينوم الذي تم نشره مؤخرًا لعشب البحر سكارينا جابونيكا [29] جنبًا إلى جنب مع بيانات الجينوم والنسخة الخاصة بالجنس لستة أنواع طحالب بنية إضافية للتحقيق في ديناميكيات محتوى الجين المرتبط بـ U و V عبر 100 سنة من التطور مع التركيز على الآليات الكامنة وراء حركة الجينات داخل وخارج من منطقة تحديد الجنس.


مراجع

رامون وكاجال ، س. أنسجة الجهاز العصبي (مطبعة جامعة أكسفورد ، نيويورك ، 1911)

Heintz ، N. BAC إلى المستقبل: استخدام الفئران المعدلة وراثيًا BAC لأبحاث علم الأعصاب. القس الطبيعة. Neurosci. 2, 861–870 (2001)

Yang، X. W.، Model، P. & amp Heintz، N. تعديل قائم على إعادة التركيب المتماثل في الإشريكية القولونية وانتقال السلالة الجرثومية في الفئران المعدلة وراثيا لكروموسوم اصطناعي بكتيري. Nature Biotechnol. 15, 859–865 (1997)

Gong ، S. ، Yang ، X. ، Li ، C. & amp Heintz ، N. تعديل عالي الكفاءة للكروموسومات الاصطناعية البكتيرية (BACs) باستخدام ناقلات مكوكية جديدة تحتوي على أصل R6Kγ للنسخ المتماثل. الدقة الجينوم. 12, 1992–1998 (2002)

كوبلاند ، إن جي ، جينكينز ، إن إيه وأمبير كورت ، دي إل إعادة التركيب: أداة جديدة قوية لعلم الجينوم الوظيفي للفأر. القس الطبيعة جينيه. 2, 769–779 (2001)

جوتليب ، إس وآخرون. تحتوي المنطقة الحرجة الدنيا لمتلازمة دي جورج على شبيهة بحبيبات اللوز (GSCL) جين homobox الذي يتم التعبير عنه في وقت مبكر في التنمية البشرية. أكون. جيه هوم. جينيه. 60, 1194–1201 (1997)

Gottlieb، S.، Hanes، S.D، Golden، J.A، Oakey، R.J & amp Budarf، M.L. همم. مول. جينيه. 7, 1497–1505 (1998)

Valjakka، A. et al. تتحكم الحزمة الرجعية في سلامة نوم حركة العين السريعة من خلال دعم توليد إيقاع ثيتا الحصين وحركات العين السريعة في الفئران. Res الدماغ. ثور. 47, 171–184 (1998)

إيمانويل ، بي إس ، ماكدونالد ماكجين ، دي ، سايتا ، إس سي ، أمبير زاكاي ، إي إتش ، متلازمة حذف 22q11.2. حال. بيدياتر. 48, 39–73 (2001)

Raper ، J. A. Semaphorins ومستقبلاتها في الفقاريات واللافقاريات. بالعملة. رأي. نيوروبيول. 10, 88–94 (2000)

ناكامورا ، F. ، Kalb ، R.G & amp Strittmatter ، S. M. الأساس الجزيئي لتوجيه محور عصبي بوساطة semaphorin. J. نيوروبيول. 44, 219–229 (2000)

Chen ، H. ، He ، Z. & amp Tessier-Lavigne ، M. آليات توجيه Axon: السمافور كطاردات متزامنة ومضادات للحشرات. طبيعة الأعصاب. 1, 436–439 (1998)

تاكاهاشي ، ت. ، ناكامورا ، إف ، جين ، زد ، كالب ، آر. طبيعة الأعصاب. 1, 487–493 (1998)

Baird، D.H، Hatten، M.E & amp Mason، C. A. توفر الخلايا العصبية المستهدفة من المخيخ إشارة توقف لتمديد العصبونات الواردة في المختبر. J. نيوروسسي. 12, 619–634 (1992)

Walz ، A. ، Rodriguez ، I. & amp Mombaerts ، P. تعصيب حسي شاذ للبصلة الشمية في الفئران المتحولة neuropilin-2. J. نيوروسسي. 22, 4025–4035 (2002)

Sachs ، G.M & amp Schneider ، G.E. التشكل من محاور السبيل البصري في arborizing في الأكيمة العلوية للهامستر. J. كومب. نيورول. 230, 155–167 (1984)

Sachs ، G.M ، Jacobson ، M. & amp Caviness ، V. S. Jr. تغييرات ما بعد الولادة في أنماط التشجير لمحاور شبكية القولون الفئران. J. كومب. نيورول. 246, 395–408 (1986)

Edwards، M.A، Caviness، V. S. J. كومب. نيورول. 248, 395–409 (1986)

Edwards ، M.A ، Schneider ، G.E & amp Caviness ، V. S. Jr. تطوير الإسقاط الشبكي القولوني المتصالب في الماوس. J. كومب. نيورول. 248, 410–421 (1986)

براون ، إيه وآخرون. يتم التحكم في رسم الخرائط الطبوغرافية من شبكية العين إلى الدماغ المتوسط ​​من خلال المستويات النسبية وليس المطلقة لإشارات مستقبلات EphA. زنزانة 102, 77–88 (2000)

فيلدهايم ، دي إيه وآخرون. يُظهر التحليل الجيني لـ ephrin-A2 و ephrin-A5 متطلباتهم في جوانب متعددة من رسم الخرائط الشبكية القولونية. عصبون 25, 563–574 (2000)

Yates ، P. A. ، Roskies ، A. L. ، McLaughlin ، T. & amp O'Leary ، D. D. يعتبر تفرع المحور الطبوغرافي المحدد بواسطة ephrin-As هو الحدث الحاسم في تطوير خريطة شبكية المستقيم. J. نيوروسسي. 21, 8548–8563 (2001)

Anderson، S. A.، Eisenstat، D. D.، Shi، L. & amp Rubenstein، J.LR. الهجرة الداخلية من الدماغ الأمامي إلى الاعتماد على القشرة المخية الحديثة دلكس الجينات. علم 278, 474–476 (1997)

Marin، O. & amp Rubenstein، J. رحلة طويلة ورائعة: الهجرة العرضية في الدماغ البعيد. القس الطبيعة. Neurosci. 2, 780–790 (2001)

حطين ، م. اتجاهات جديدة في الهجرة العصبية. علم 297, 1660–1663 (2002)

Lavdas ، A. A. ، Grigoriou ، M. ، Pchnis ، V. & amp Rubernstein ، J.G. تؤدي البروز العقدي الإنسي إلى ظهور مجموعة من الخلايا العصبية المبكرة في القشرة الدماغية النامية. J. نيوروسسي. 19, 7881–7888 (1999)

Ross ، C. ، MacCumber ، M. ، Glatt ، C. & amp Snyder ، S. Brain phospholipase C isozymes: مواقع mRNA التفاضلية عن طريق التهجين في الموقع. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 86, 2923–2927 (1989)

Rybalkin، S.، Rybalkina، I.، Beavo، J. & amp Bornfeldt، K. Cyclic nucleotide phosphodiesterase 1C يعزز تكاثر العضلات الملساء في الشرايين البشرية. سيرك. الدقة. 90, 151–157 (2002)

Meyer ، G. ، Soria ، J. M. ، Martinez-Galan ، J.R ، Martin-Clemente ، B. & amp Fairen ، A. أصول مختلفة وتاريخ تطور للخلايا العصبية العابرة في المنطقة الهامشية لقشرة الفئران الجنينية وحديثي الولادة. J. كومب. نيورول. 397, 493–518 (1998)

Derer ، P. & amp Derer ، M. Cajal-Retzius نشوء الخلية والموت في دماغ الفأر مع الفجل البيروكسيديز والمجهر الإلكتروني. علم الأعصاب 36, 839–856 (1990)

D'Arcangelo، G. et al. ريلين هو بروتين مُفرَز يتعرف عليه الجسم المضاد أحادي النسيلة CR-50. J. نيوروسسي. 17, 23–31 (1997)

تعدل مستقبلات الدوبامين D4 ، X. ، Zhong ، P. & amp ؛ Z. إشارات GABAergic في الخلايا العصبية الهرمية لقشرة الفص الجبهي. J. نيوروسسي. 22, 9185–9193 (2002)

يحدد Frantz و G. و Weimann و J. و Levin و M. & amp McConnell و S. Otx1 و Otx2 الطبقات والمناطق في تطوير القشرة المخية والمخيخ. J. نيوروسسي. 14, 5725–5740 (1994)

Weimann ، J. et al. تتطلب الخلايا العصبية القشرية Otx1 لتحسين الإسقاطات المحورية الغزيرة للأهداف تحت القشرية. عصبون 24, 819–831 (1999)

Nicola، S.، Surmeier، J. & amp Malenka، R. تعديل الدوبامين لاستثارة الخلايا العصبية في المخطط والنواة المتكئة. Annu. القس نيوروسسي. 23, 185–215 (2000)

التعبير الجيني لمستقبلات الدوبامين Le Moine و C. & amp Bloch و B. D1 و D2 في مخطط الفئران: تُظهر تحقيقات cRNA الحساسة الفصل البارز بين D1 و D2 mRNAs في مجموعات عصبية متميزة من المخطط الظهري والبطني. J. كومب. نيورول. 355, 418–426 (1995)

Surmeier ، J. ، Song ، W.-J. & amp Yan ، Z. التعبير المنسق لمستقبلات الدوبامين في الخلايا العصبية الشوكية المتوسطة للولادة. J. نيوروسسي. 16, 6579–6591 (1996)

هيرش ، إس وآخرون. التحليل المجهري الإلكتروني لبروتينات مستقبلات الدوبامين D1 و D2 في المخطط الظهري وعلاقاتهما المشبكية مع المؤثرات القشرية الحركية. J. نيوروسسي. 15, 5222–5237 (1995)

Bernard، V.، Levey، A. & amp Bloch، B. تنظيم التوزيع دون الخلوي لمستقبلات M4 المسكارينية أسيتيل الكولين في الخلايا العصبية المخطط لها في الجسم الحي بواسطة البيئة الكولينية: دليل على تنظيم مستقبلات سطح الخلية عن طريق التنبيه الداخلي والخارجي. J. نيوروسسي. 19, 10237–10249 (1999)

Gerfen، C.R & amp Young، W. S. III توزيع الخلايا العصبية الببتيدرية المخطط والجسمي في كل من مقصورات التصحيح والمصفوفة: فى الموقع الكيمياء النسيجية التهجين ودراسة التتبع الرجعي الفلوري. Res الدماغ. 460, 161–167 (1988)

لي ، إي سي وآخرون. كفاءة عالية الإشريكية القولونية- نظام هندسة الكروموسوم القائم على التكيف مع الاستهداف المؤتلف والاستنساخ الفرعي للحمض النووي BAC. علم الجينوم 73, 56–65 (2001)

Muyrers ، J. P. ، Zhang ، Y. ، Testa ، G. & amp Stewart ، A. F. التعديل السريع للكروموسومات الاصطناعية البكتيرية عن طريق إعادة تركيب ET. الدقة الأحماض النووية. 27, 1555–1557 (1999)

ميتكالف ، دبليو دبليو وآخرون. تحمل البلازميدات التكرارية والمُقارِنة بشروط لاك للاستنساخ ، الطفرات ، واستبدال الأليل في البكتيريا. بلازميد 35, 1–13 (1996)

باكسينوس ، جي & أمبير فرانكلين ، ك. دماغ الفأر في إحداثيات التجسيمي 132 (أكاديمي ، سان دييغو ، 2001)

فالفيردي ، ف. أطلس جولجي لدماغ الفأر بعد الولادة (سبرينغر ، فيينا ، 1998)

Schambra، U.، Lauder، J. & amp Silver، J. أطلس دماغ الفأر قبل الولادة (أكاديمي ، سان دييغو ، 1992)


2 مقاومة المحركات الجينية في النظم الطبيعية

في أي نظام قيادة ، سيعمل اختيار المقاومة على موضع الهدف نفسه ، والجينات المرتبطة بالهدف وفي بعض الحالات على الجينوم بأكمله. بشكل عام ، يصبح اختيار المقاومة عند الهدف والمواقع المرتبطة أقوى مع انتقال متحيز أكثر ، بينما تزداد قوة الاختيار للمقاومة على بقية الجينوم مع زيادة فقدان اللياقة للكائن الحي (الشكل 1). غالبًا ما يرتبط هذان العنصران ارتباطًا إيجابيًا ، مما يؤدي إلى اختيار قوي للمقاومة في كل من موضع الهدف وعلى مستوى الجينوم. نصنف المقاومة على أنها تكيفات تقلل من انتشار عناصر المحرك إما عن طريق (أ) التدخل في الآلية الجزيئية للقيادة (التي نطلق عليها "قمع" في هذه المراجعة) أو عن طريق (ب) تغيير بعض جوانب السلوك أو تاريخ حياة الناقلات التي بدورها تقلل من قدرة السائق على الانتشار. نستخدم هذه الفئات لهيكلة مراجعتنا لعوامل مقاومة محرك الأقراص المعروفة ، بدمج أنظمة القيادة الطبيعية والاصطناعية.

2.1 الطفرات في الموقع المستهدف وقمع آلات القيادة

تتمثل إحدى طرق تطوير المقاومة في تعديل هدف القيادة بحيث لا يكون عرضة للتأثر. على سبيل المثال ، قد يفرض محرك الجينات الذي ينتشر عن طريق استهداف تسلسل معين من النيوكليوتيدات أو الببتيدات اختيارًا يفضل الأنماط الجينية التي تحمل تسلسلًا متغيرًا. أدناه ، نراجع الدليل على هذا النمط من المقاومة في الطبيعة. للحصول على لمحة موجزة عن الاختلافات البيولوجية بين محركات الجينات الطبيعية ، انظر الجدول 1.

إذا كان على كروموسوم جنسي ، يمكن أن يؤدي إلى تحيز نسب الجنس بين السكان.

2.1.1 قاتلة الأمشاج المرتبطة بالكروموسوم الجنسي

غالبًا ما تم العثور على محركات الانقسام الاختزالي "القاتلة للأمشاج" التي تحدث بشكل طبيعي على الكروموسومات الجنسية ، حيث تسبب تشويهًا في انتقال الجنس غير المتجانسة (Hurst & Pomiankowski ، 1991). يتم تسهيل تطور محركات الكروموسومات الجنسية من خلال التمايز بين الكروموسومات X و Y (و Z / W). وبالتالي ، فإن أليلات السائق التي تنشأ على كروموسوم جنسي متمايز جيدًا لها أهداف محتملة في العديد من المواقع التي لا ترتبط أبدًا بالسائق: على سبيل المثال ، يمكن للسائق المرتبط بـ X تعزيز ناقل الحركة الخاص به عن طريق تدمير الأمشاج التي تحتوي على موضع معين مرتبط بـ Y (Jaenike ، 2001). تولد الدوافع المرتبطة بالجنس اختيارًا قويًا بشكل خاص للمقاومة لأنها تغير نسبة الجنس بين السكان. يخلق التحيز في نسبة الجنس بين السكان اختيارًا قويًا لصالح الأفراد / الأنماط الجينية التي تنتج نسبيًا أكثر من الجنس ناقص التمثيل (فيشر ، 1930). يمنح "اختيار نسبة الجنس في الأسماك" ميزة لياقة إضافية للأليلات التي تمنح مقاومة للقيادة في السكان الذين يظهرون نسبة جنسية متحيزة ، بسبب وجود سائق مرتبط بالجنس. لذلك نتوقع أن نرى تطورًا سريعًا للمقاومة ضد الدوافع المرتبطة بالجنس (Hurst & Pomiankowski ، 1991).

نوضح ذلك باستخدام أنظمة محرك كروموسوم الجنس في سيمولانس ذبابة الفاكهة. في باريس نسبة الجنس (ريال سعودى) ، فإن اثنين من السائقين المرتبطين بـ X يمنعان معًا فصل الكروماتيدات الشقيقة Y في القسم الانتصافي الثاني. أحد هذه البرامج يشفر HP1D2 ، وهو بروتين يربط كروموسوم Y المغاير في الخلايا السابقة للحيوية ، مما يشير إلى أنه يستهدف تسلسل الحمض النووي المتكرر (Helleu et al. ، 2016). كروموسوم Y لـ D. simulans يُظهر تباينًا كبيرًا في مقاومة باريس ريال سعودى القيادة ، مع سلسلة واسعة من الأنماط الظاهرية من القابلية العالية (95٪ من ذرية الإناث) إلى المقاومة الكاملة (50٪ من ذرية الإناث Montchamp-Moreau et al. ، 2001). تُظهر كروموسومات Y المقاومة بشكل أو بآخر إعادة ترتيب هيكلية واسعة النطاق تؤثر على تسلسل الأقمار الصناعية ، مما يشير بقوة إلى أن المقاومة تحدث من خلال التغييرات في تسلسل تكرار الهدف (Helleu et al. ، 2019). بالإضافة إلى ذلك ، باريس ريال سعودى يتم قمعها بواسطة مواضع جسمية غير محددة حتى الآن (Courret et al. ، 2018).

الشتاء ريال سعودى هو نظام آخر لتشويه نسبة الجنس في D. simulans، مع نمط ظاهري محرك مختلف عن باريس ريال سعودى، قتل الحيوانات المنوية بعد الانقسام الاختزالي (Tao ، Araripe ، وآخرون ، 2007). جين مرتبط بـ X ، دوكس، ومن المحتمل أن يكون سلفه Mdox ، يشاركون في القيادة (تاو ، أراريب ، وآخرون ، 2007). الشتاء ريال سعودى عادةً ما يتم قمعه تمامًا بواسطة الترددات العالية لموضع الكابت الصبغي الجسدي نمي. نمي نشأت من تكرار معكوس معكوس دوكس (تاو وآخرون ، 2007) وتنتج الحمض النووي الريبي المضاد للمعنى الذي يقمع دوكس و Mdox من خلال مسار تداخل الحمض النووي الريبي (لين وآخرون ، 2018).

هذين ريال سعودى توضح الأنظمة بشكل تجريبي الطبيعة الديناميكية لانتشار الدوافع ، متبوعة بظهور الكابتات ثم فقدان الدوافع التي تتطور في دورة مستمرة من ديناميكيات "الملكة الحمراء". ومع ذلك ، على الرغم من أن العديد من أنظمة القيادة التي نلاحظها في الطبيعة قد وصلت إلى مثل هذا التوازن الديناميكي ، فإن البعض الآخر لم يفعل ذلك. هناك بعض الأدلة على أن القيادة يمكن أن تسبب الانقراض ، على الأقل في السكان المحليين (Pinzone & Dyer ، 2013). يبدو أن أنظمة القيادة الأخرى تحدث بترددات مستقرة في مجموعات سكانية مختلفة ، أحيانًا في خطوط جغرافية ، لأسباب غير مفهومة جيدًا ، وهناك بعض الأدلة على أن هذا الاستقرار يمكن أن يستمر لمئات الأجيال (برايس وآخرون ، 2014 ، 2019) .

2.1.2 قاتلات الأمشاج الجسدية

تعمل محركات الانقسام الاختزالي التي تقتل الأمشاج الجسدية عن طريق قتل الأمشاج التي تحمل أليلات بديلة (Bravo Núñez، Nuckolls، & Zanders، 2018). بعض من أفضل النظم المدروسة هي قاتلة الأبواغ في مختلف الأنواع الفطرية. أولا في نيوروسبورا، فقد ثبت أن آلية دفاع الجينوم القائمة على تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) تعمل على تثبيط الأليلات القاتلة للجراثيم (Svedberg et al. ، 2020). ثانيًا ، توجد نسخ متعددة من السائقين في الفطريات الخيطية بودوسبورا أنسيرينا، أحدها مثبط معروف (Grognet et al. ، 2014). وبالمثل ، فإن ماهذا الهراء عائلة الجينات فيها شيزوساكارومايس بومب يشفر نظام محرك الترياق السام ولديه ما يصل إلى 42 نسخة في جميع أنحاء جينومات الخميرة الانشطارية (Eickbush، Young، & Zanders، 2019 López Hernández & Zanders، 2018). من بين هذه النسخ ، بعضها عبارة عن محركات انتصافية سليمة (أليلات تشفر كلاً من السم والترياق) ، وبعضها عبارة عن جينات زائفة ظاهرية ، وبعضها عبارة عن أليلات تشفر الترياق فقط (برافو نونيز وآخرون ، 2020). هذه "الترياق فقط" ماهذا الهراءيتصرفون كقمع لأنانيتهم ماهذا الهراء متماثلون ومن المرجح أن يتم الحفاظ عليها عن طريق الاختيار لمقاومة الأخير (Bravo Núñez، Lange، & Zanders، 2018). إن تضخيم الأنظمة القاتلة للجراثيم المتعددة في الجينوم الفطري يمثل دورات تضخيم المحركات والمثبطات التي غالبًا ما تُرى في الصراع الجيني. كما لوحظت أنماط ازدواجية السائقين والمثبطات على الكروموسومات الجنسية في موس العضلات فئران المنزل (Soh et al. ، 2014).

نظام آخر مدروس جيدًا هو تشويه الفصل العنصري (SD) في ذبابة الفاكهة سوداء البطن، والذي يحتوي على برنامج تشغيل ومحسنات للقيادة وموقع مستهدف ، تم العثور عليه في منطقة منخفضة التأشيب (Larracuente & Presgraves ، 2012). ذكور متغاير الزيجوت ل SD ويعاني الكروموسوم الحساس من النوع البري من عيوب تكاثف الكروماتين واختلال وظيفي في الحيوانات المنوية من النوع البري. يتكون الموقع المستهدف من كتلة كبيرة من التكرارات الترادفية. يرتبط عدد نسخ التكرار الترادفي بحساسية القيادة ، والأليلات التي تحتوي على أقل من

300 تكرار غير حساس للقيادة (وو وآخرون ، 1988). هناك اختلاف كبير في رقم النسخة المستهدفة في D. melanogaster السكان في جميع أنحاء العالم. ترددات SD منخفضة في التجمعات الطبيعية ، مما يشير إلى تعدد أشكال متوازن ، ولكن هناك دليل على المسح الجيني لـ SD بدلا من ذلك يقترح دوران سريع من SD الكروموسومات ، إما بسبب المنافسة بين SD المتغيرات أو سباقات التسلح مع المكثفات (Brand، Larracuente، & Presgraves، 2015). الكابتات الجينية غير المرتبطة معروفة (Hiraizumi & Thomas ، 1984) ، لكن لم يتم دراستها على المستوى الجيني الجزيئي.

2.1.3 محرك الأنثى الانتصافي

يستغل محرك الانقسام الاختزالي الأنثوي عدم التناسق في الانقسام الاختزالي الأنثوي للتأثير على متماثل زوج الكروموسوم الذي يتم توزيعه على نواة البيض بدلاً من الأجسام القطبية المستبعدة. وبالتالي ، يتم تقليل ملاءمة المتماثل غير الرائد ، لكن التكاليف التي يتحملها الكائن الحي صغيرة من حيث إنتاج الأمشاج. إذا كانت التكاليف ضئيلة ، فقد تنتشر وتصلح السائقات بسهولة ، نظرًا لأن منطقة صغيرة فقط من الجينوم بالقرب من موضع محرك الأقراص ستكون قيد الاختيار لتطوير المقاومة. ومع ذلك، في ميمولوس monkeyflowers ، تفرض السائقات تكاليف اللياقة البدنية عندما تكون متماثلة اللواقح (Fishman & Kelly ، 2015). في الذرة (زيا ميس)، ال النوع (Ab10) يحتوي نظام مقابض القيادة على تكاليف لياقة غير متجانسة ومتماثلة اللواقح في مجموعة البذور والوزن (Higgins et al. ، 2018). الأليلات المقاومة تمنع التعبير عن النوع معقدة وتتميز بتداخل الحمض النووي الريبي الصغير ومثيلة الحمض النووي (Dawe et al. ، 2018).

2.1.4 العناصر القابلة للتحويل

العناصر القابلة للتحويل (TEs) هي تسلسلات الحمض النووي التي يمكن أن تغير موقعها داخل الجينوم ، وغالبًا ما تنسخ نفسها في هذه العملية (Feschotte & Pritham ، 2007). تم العثور عليها في بدائيات النوى وحقيقيات النوى وحتى الفيروسات العملاقة (Sun et al. ، 2015). يعد التحويل ضارًا بشكل عام بالفرد ، مما يؤدي إلى تكسر الحمض النووي وإعادة التركيب خارج الرحم ، فضلاً عن احتمال تعطيل الجينات (Feschotte & Pritham ، 2007). تتنوع آليات قمع TEs ، والعديد منها له أصول قديمة ، مثل مثيلة الجينوم التي تسكت تعبير TE.

عادةً ما تتبع غزوات TE دورة ، مع غزو TE جديد لأحد الأنواع ، أو TE موجود بالفعل في الجينوم الهروب من قمع (Bousios & Gaut ، 2016). يتكاثر TE سريعًا في جينوم الأنواع ، ويفرض التكاليف ، والتي تختار القمع. يمكن أن يحدث هذا الغزو والقمع بسرعة كبيرة. في ذبابة الفاكهة سوداء البطن، وهي عبارة عن مجموعة TE القائمة على الحمض النووي تم غزوها في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي وانتشرت في جميع أنحاء العالم بحلول الثمانينيات (Anxolabéhère، Kidwell، & Periquet، 1988). في حوالي عام 2000 ، قفزت TE إلى الشركات ذات الصلة الوثيقة D. simulans وتنتشر بشكل أسرع في جميع أنحاء العالم من خلال تلك الأنواع (Hill، Schlötterer، & Betancourt، 2016). تطور قمع RNAi لـ TE سريعًا للغاية في كلا النوعين ، مما أدى إلى قمع TE إلى حد كبير D. simulans السكان في غضون عقدين من الغزو. يتم تسهيل هذا التطور السريع للقمع بواسطة مجموعات piRNA في الحيوانات التي يبدو أنها تؤدي وظيفة دفاعية ضد TEs (Czech et al. ، 2018) ، على غرار مكتبات CRISPR التي توفر دفاعًا مناعيًا تكيفيًا ضد الفيروسات ومحركات جينات البلازميد في البكتيريا (Barrangou) ومارافيني ، 2014). عندما تهاجم TE الكائن الحي ، يتم تجنيد متواليات من TE الغازية في مجموعات piRNA ، مما يوفر قالب DNA الذي يوجه RNAi لإسكات ذلك TE ، مما يمنعه من المزيد من التكرار (Brennecke et al. ، 2007). يشير الحفاظ على هذه المناطق الجينومية كدفاعات ضد TEs إلى أنه من الممكن أيضًا الحفاظ على مناطق جينومية أخرى على مدار الوقت التطوري لأنها تدافع ضد TEs أو العناصر الوراثية الأنانية الأخرى.

2.1.5 أنظمة عدم التوافق الجيني

يمكن أن يحدث عدم التوافق السيتوبلازمي بين الحمض النووي النووي والميتوكوندريا (mtDNA) ، حيث ينتقل mtDNA بشكل حصري تقريبًا من الأم إلى النسل. المثال الأكثر تسجيلًا لعدم التوافق السيتوبلازمي هو عقم الذكور السيتوبلازمي ، حيث يتم جعل النباتات الخنثوية عقيمة للذكور وتكون أنثى وظيفية. ينتشر عقم الذكور السيتوبلازمي على نطاق واسع بين أنواع نباتات كاسيات البذور ، حيث تتكون مجموعاتها من نباتات خنثى وأنثوية (Touzet & Budar ، 2004). المثبطات النووية التي تعيد خصوبة الذكور (تسمى الترددات اللاسلكية الجينات) بشكل شائع في أنظمة عقم الذكور السيتوبلازمية. عديدة الترددات اللاسلكيةs هي أعضاء في عائلة بروتين تكرار pentatricopeptide ، تشارك في معالجة وتحرير الحمض النووي الريبي (Gaborieau ، Brown ، & Mireau ، 2016). تعمل عادةً عن طريق الارتباط مباشرة بنسخ الميتوكوندريا ، مما يتدخل في إنتاج بروتينات العقم الذكرية (Chen & Liu ، 2014). الترددات اللاسلكيةتُظهر أدلة على التطور السريع والتنويع (Fujii ، Bond ، & Small ، 2011) مما يشير إلى دورات مستمرة من الصراع مع جينات عقم الذكور السيتوبلازمية.

قتل الذكور سببه البعض Wolbachia توفر البكتيريا ، الموروثة أيضًا عبر السيتوبلازم ، دليلًا على مدى سرعة انتشار الكبت. سكان جزر المحيط الهادئ من الفراشة Hypolimnas بولينا مصابون ب Wolbachia السلالة التي تسبب وفاة أبناء الإناث المصابة (Dyson، Kamath، & Hurst، 2002). وهذا يفيد البنات المصابات بسبب تناقص منافسة اليرقات مع الأشقاء مما يسمح بذلك Wolbachia للوصول إلى ترددات عالية للغاية ، مما يؤدي إلى وجود عدد أقل من ذكر واحد لكل مائة أنثى (Dyson & Hurst ، 2004). ظهر مؤخرا جين نووي ينقذ أجنة الذكور وانتشر بسرعة في ساموا Hypolimnas السكان ، تمت استعادة نسبة متساوية بين السكان على مدار 8-10 أجيال (سنة واحدة) بعد وصول المقاومة إلى الجزيرة (Charlat et al.، 2007 Hornett et al.، 2014).

في مثال آخر ، التأنيث Wolbachia في القمل أرماديليديوم فولجاري غالبًا ما تصل إلى ترددات عالية جدًا داخل السكان ، بحيث يكون الذكور الوحيدون موجودون من بيض لا يرث بالصدفة ما يكفي Wolbachia لتحويلهم إلى إناث (Leclercq وآخرون ، 2016). في هذه المجموعات السكانية شديدة التحيز للإناث ، يكون نظام تحديد الجنس الطبيعي ZW غير صالح ، مع Wolbachia جرعة فعالة للسيطرة على جنس الأفراد. هذا يمكن أن يؤدي إلى فقدان كروموسوم W المحدد للإناث ، جميع الأفراد هم ذكور وراثيون ZZ ، ولكن هذه الحالة يتم استبدالها من خلال التأنيث الذي يفرضه Wolbachia، مما يشير إلى أن Z والجسيمات الجسدية لم تكن قادرة على تطوير المقاومة. في بعض المجموعات السكانية ، ظهر كروموسوم جنس W جديد بشكل ملحوظ ، هذا الكروموسوم neo-W هو جسيم جسمي سابق يحمل الآن نسخة شبه كاملة من Wolbachia الجينوم. يُعتقد أن هذا W الجديد قد انتشر من خلال المنافسة Wolbachia تأنيث أفراد ZZ (كوردوكس وجيلبرت ، 2017). Given the likely cost of incorporating a bacterial genome, this illustrates that suppression of gene drives can involve high costs and major genomic rearrangements. Despite these examples of suppression in Wolbachia, suppressors against driving organelles and endosymbionts in animals seem to be rare. It is not clear why this is the case, given that cytoplasmic male sterility systems in plants are often suppressed.

2.1.6 Systems where suppression has not been found

The existence of multiple well-studied, ancient drive systems showing no evidence of suppression of drive is a mystery. Does this indicate that genetic suppression is unlikely to evolve? One possibility is that the locus that confers susceptibility to drive is small, providing a small mutational target. However, many drivers impose broad costs across the genome (Dyer & Hall, 2019 Finnegan et al., 2019 Hamilton, 1967 Larner, Price, Holman, & Wedell, 2019 Zanders & Unckless, 2019 ), so loci throughout the genome are predicted to evolve to resist costly gene drives. Here, the lack of resistance mechanisms cannot be due to the small size of the mutational target, suggesting the involvement of other evolutionary constraints. Perhaps effective resistance to the gene drive requires multiple mutations that are not individually beneficial, making resistance evolution less likely. Drive could also target essential sites in the genome that are constrained from evolving, or repetitive DNA that is continually re-created by mutation or transposition, as is thought to be the case for the satellite locus Rsp that is targeted by the SD gene drive in D. melanogaster (Courret et al., 2019 ). Another possibility is that some gene drives are involved in ongoing coevolutionary arms races with resistance loci, such that the supposedly unresistable gene drives that we observe are those that have temporarily outpaced their suppressors for a short span of evolutionary time. ال Hypolimnas example appears to provide an example of this: the costs of Wolbachia sex ratio distortion were high and Wolbachia was very common, yet for at least a century there was no sign of resistance to the drive. When a resistance allele appeared, it rapidly spread across the species’ range within a few decades (Hornett et al., 2014 ).

2.2 Behavioural and life-history resistance against drive

One explanation for lack of direct suppression of the mechanism of drive is the evolution of indirect resistance involving behavioural or life-history changes. For example, self-medication in which a Wolbachia-infected individual might reduce their titre by exposing themselves to heat that impairs Wolbachia, or feeding on an antibiotic rich diet (Abbott, 2014 Shikano, 2017 Snook et al., 2000 ) is a possible but untested idea. There may be many unexplored life-history or behavioural ways to resist drive.

One of the best-known ideas is that noncarriers may avoid drive carriers as mates, preventing offspring from inheriting harmful drivers and improving offspring fitness. Theoretical models support this idea (Lande & Wilkinson, 1999 Manser et al., 2017 Randerson et al., 2000 Reinhold et al., 1999 ). However, this requires a trait that reliably reveals the presence or absence of drive (Lande & Wilkinson, 1999 Manser et al., 2017 ). Evidence of mate avoidance of drive carriers is weak or absent from the majority of systems studied. For example, in species where Wolbachia induces cytoplasmic incompatibility, uninfected females lose any eggs fertilized by Wolbachia-infected males. Despite these costs, there is very little evidence for females avoiding mating with Wolbachia-infected males (Champion de Crespigny & Wedell, 2007 ). Likewise, the only test of populations infected with male-killing Wolbachia في D. innubila also found no evidence that males prefer to mate with uninfected females (Sullivan & Jaenike, 2006 ). There is also little evidence for female preference against male ذبابة الفاكهة carrying SR drive despite decades of research in several species (Price & Wedell, 2008 ). In house mice, wild-type females do not avoid mating with ر haplotype-bearing males (Lenington & Coopersmith, 1992 Manser et al., 2015 Sutter & Lindholm, 2016 ), whereas ر-bearing females have been found to avoid ر-bearing males in some (Lenington & Coopersmith, 1992 ) but not all studies (Manser et al., 2015 Sutter & Lindholm, 2016 ).

In these gene drive systems, it is not obvious that any phenotypic characters reliably signal Wolbachia or drive carrier status, which may explain the lack of mate preference. In stalk-eyed flies, female preference is for males with large eyespan, and males carrying SR have a smaller average eyespan (Cotton, Földvári, Cotton, & Pomiankowski, 2014 Johns, Wolfenbarger, & Wilkinson, 2005 Wilkinson et al., 1998 ), providing a ready-made trait that can distinguish drive from nondrive-carrying males. However, other species of stalk-eyed fly that lack meiotic drive also show female mate preference for exaggerated male eyespan (e.g. Diasemopsis meigenii Cotton, Rogers, Small, Pomiankowski, & Fowler, 2006 ), and it has yet to be demonstrated whether mate preference has been strengthened for avoidance of drive carriers. Disentangling general condition-dependent mate preferences from evolved resistance to drive through avoidance of mating with drive carriers can be highly challenging.

In the Winters SR system of D. simulans, the strength of drive declines from 93% to 60% daughters when males are reared at high temperatures, and older males also show a decline in drive (Tao, Masly, et al., 2007 ). This could promote females evolving a preference for males unlikely to have strong drive due to these nongenetic causes (i.e. high temperature reared or older males), but to date, this has not been examined, although age-based mate choice is common in ذبابة الفاكهة and other organisms (Verspoor et al., 2015 ). بالإضافة إلى، D. simulans females disproportionately discard sperm of باريس SR males after mating (Angelard, Montchamp-Moreau, & Joly, 2008 ). It is not known whether this post-copulatory selection has evolved due to the benefits of reducing the likelihood of drive bearing offspring, or is a general mechanism selecting against mates that transfer small ejaculates. Perhaps the most convincing evidence for mate choice against drivers comes from feminizing Wolbachia في Armadillidium vulgare. In populations with high Wolbachia frequency, males are rare, and males will benefit from mating with uninfected females who produce more sons. In this case, males have been found to preferentially mate with ZW-uninfected females, rather than genetically male ZZ individuals who have been feminized (Moreau et al., 2001 ). Whether this has suppressed Wolbachia frequency in populations has not been established. In general, the lack of choice against drive carriers may be due to evolutionary pressure to reduce detectability, with the least detectable gene drive alleles outcompeting rival variants, but this remains to be investigated.

Another route for drive-susceptible females to avoid producing offspring with drive carriers is by increasing the intensity of sperm competition. In several systems of gamete-killing male meiotic drive, drive-carrying males are inferior sperm competitors, because of a reduction in sperm number and quality (Price & Wedell, 2008 ). For example, in controlled experimental matings, ر-carrying males gain only 12% of paternity when a female mates with both a ر-carrying and wild-type male (Sutter & Lindholm, 2015 ). Females could therefore mate with several males indiscriminately and rely on sperm competition to suppress fertilization by drive sperm (Haig & Bergstrom, 1995 ). An increase in the propensity to mate with multiple males could evolve as a form of resistance to the presence of a driver within the population. Multiple mating potentially evolves more easily than precopulatory mate choice, as no discrimination between driver-carrier and driver-free individuals is required (Haig & Bergstrom, 1995 ). The evolution of higher remating rates in response to the presence of a sex ratio distorter was seen within 10 generations in a laboratory experiment using D. pseudoobscura (Price et al., 2008 ). So it is possible that in polyandrous species, sperm competition reduces the success of gamete killers enough that selection for direct genetic suppression is reduced. As yet, there is no concrete evidence for this in nature.


الاستنتاجات

Using genomic tools and stringent phylogenetic criteria, we have shown that the genome of an Australian A. semialata individual contains at least 59 genes laterally acquired from a minimum of nine different donors (Figs. 2 and 4). Large-scale pollen dispersal and vegetative growth, which might facilitate cell-to-cell contacts and subsequent LGTs, are widespread among perennial grasses, and LGT is therefore likely to be frequent in this group. Transfer of specific segments of noncoding DNA among members of the grass family has previously been reported (24, 34, 35), but the widespread transfer of functional genes documented here shows that this process is likely to have consequences for adaptation. We also detect functional LGTs among grass species other than Alloteropsis, with recipients in the genera Cymbopogon, Danthoniopsis, Echinochloa، و Oplismenus (Fig. 5, SI Appendix, Fig. S6 and Table S6, and Dataset S2). While these other instances need to be investigated with dedicated genomic work, they do show that A. semialata is not exceptional in this group of eukaryotes that might exhibit something approaching a type of pangenome. In particular, future efforts should determine whether the process is pervasive in the family, or whether it is restricted to certain growth forms or ecological types. The evidence presented here already shows that the widespread transfer of functional genetic elements reported for Alloteropsis might be just the tip of the iceberg, with functional LGTs among grasses, and potentially other groups of plants, having remained undetected because of limited taxon sampling and a lack of dedicated searches. We conclude that LGT might constitute an underappreciated contributor to the functional diversification of some groups of plants, which can act as a source of genetic variation, potentially of adaptive significance.


DNA contents affect rates of plant development and minimum generation times

While the early studies on repeated DNA sequences revolutionized our view about the DNA in chromosomes, they provided little knowledge about why families of repeated sequences are there and any functions they may have, apart from the genetic observations of McClintock (1951) which were clearly seminal in showing how transposons near genes can influence their activity. Some of us respected the selfish DNA hypotheses ( Orgel and Crick, 1980) based on the notion that transposons arose and replicated in host chromosomes for their own ends but believed that it was inconceivable that selection would not have put such DNAs to good use in a variety of ways. Some at least would surely have been a resource for useful evolutionary novelty, however, they arose. Debates have continued to rage over the years about the ج-value paradox and whether at least some of the DNA is simply junk DNA without any (sequence or position-based) function. I have subscribed to the view that we should recognize that (i) functions can be assessed at many different levels from chromosomal process to population, (ii) functions may not be based only on sequence informational criteria but also on nucleotypes-total DNA amounts and that (iii) traits may arise neutrally initially but can be preserved by purifying selection later, for example by individual members of a repeat family becoming genetically functional when close to a gene ( Doolittle, 2013). Most but not all members of families of repeats are now viewed as examples of parasites, or one-time parasites, to which the host species has adapted and subsequently exploited for providing novel sources of genetic variation ( Freeling et al., 2015). As more details of chromosome functions and controls are uncovered, more roles for repeated DNA are becoming defined ( Freeling et al., 2015 Makarevitch et al., 2015 Hirsch and Springer, 2017).

During the 1970s and 1980s, my colleague Michael Bennett and others shed some light on possible functions or effects of repeated DNA and hence genome size by linking DNA contents to cell size, cell cycle time, and plant development (reviewed in Bennett and Leitch, 2005). Total nuclear DNA content (“nucleotype”) correlated with cell size and the volume of certain organs, such as pollen, across the plant kingdom. DNA content also correlated with minimum cell cycle time for diploids. In general, more DNA slows down cell cycles and increases minimal developmental rates. If DNA contents surpass a certain value the plants become obligate perennials. Amplification and deletion of highly repeated DNA can therefore provide a rheostat to adjust developmental rates, presumably in conjunction with the properties of specific, expressed alleles in the genotype and the degree of heterosis. The DNA content, the so-called “nucleotype,” therefore influences properties of the species irrespective of the particular sequences in the chromosomes and is under selection. This was clearly an important addition to the concepts of Mendelian genetics and specific gene function and an important background for all considerations of chromosomes and genomics.

Over the years numerous examples of the “nucleotype” correlating with plant phenotypes have been published. For example, there is a negative correlation between nuclear DNA content and flower size (petal limb length, petal claw length, and calyx diameter) in سيلين (سيلين الشائع) both in wild accessions and in response to artificial selection ( Meagher and Costich, 1994). Also, selection for earlier flowering in maize resulted in a correlated reduction in DNA content ( Bilinski et al., 2018). The major losses in DNA during the evolution of Arabidopsis and rice are consistent with this concept.


Why driving endonuclease genes spread

The common feature that defines a DEG is its ability to be copied from one chromosome to another such that a ‘heterozygote’ (a diploid individual with the gene on one but not the other chromosome) becomes a ‘homozygote’. It does this by coding for an endonuclease that causes a double-strand break in the same location on the homologous chromosome. Because the DEG is inserted in the middle of its own recognition site, only the chromosome not containing the gene is cut. The cell (normally) repairs the double-strand break using the chromosome carrying the DEG as a template (homology-directed repair) and hence the gene is copied to the damaged chromosome, a process known as homing (رسم بياني 1). DEGs can also be adapted to spread through favouring one sex chromosome over another, a mechanism we return to in the section on Y Drive below.

Driving endonuclease genes (DEGs) code for an endonuclease that targets a recognition site where it causes a double-strand break. The DEG is inserted in the chromosome in the same position where the recognition site occurs in the wild type. In a heterozygote, the DNA break is repaired using the homologue, leading to a DEG homozygote (after [13])

The normal intuition that a gene spreads because it provides some advantage to the individual that carries it (typically more offspring) fails in the case of non-Mendelian genes such as DEGs, which break the normal rules of inheritance. One now has to think of the gene in competition with its alternative ‘allele’—the homologous stretch of the chromosome that does not carry a DEG. A DEG will spread when rare if an arbitrarily chosen copy of the DEG produces more copies of itself than an arbitrarily chosen example of the alternative allele [15]. Because the DEG is initially rare, it will nearly always be in a heterozygote and the fraction of offspring carrying the DEG will be ½(1 + ه), where ه is the so-called homing frequency. The DEG gets into half the offspring by simple Mendelian inheritance and into a fraction ه of the rest of the offspring by the ‘homing’ action of the endonuclease. A randomly chosen example of the alternative allele will nearly always be in a homozygote (because the DEG is rare) and be transmitted through Mendelian inheritance to ½ the offspring. Because ½(1 + ه) is greater than ½, a DEG that has no deleterious effect on its host will دائما spread, and will eventually become fixed (it excludes the other allele and achieves a frequency of 1).

Natural examples of DEGs tend to be found in self-splicing introns or inteins and probably have few effects on their host’s phenotype [25]. Values of the homing frequency (ه) can approach 1 in these systems and this provides an extraordinarily strong selective advantage for the DEG allele. It rapidly goes to fixation where, in the absence of any further selection, it would accumulate mutations and become non-functional. DEGs can only persist in nature by jumping between species, which is probably why they are only found in unicellular organisms with a relatively unprotected germline [21, 26]. The aim of population replacement strategies is to use artificially engineered DEGs to drive a useful construct through a wild population, for example a sequence coding for a peptide that interferes with disease transmission. In the ideal case, this would have no fitness consequences for the host, and it would spread rapidly to fixation.

Population suppression strategies seek to reduce the density of a pest or vector, possibly to a level when the population can no longer sustain itself (population elimination). Unlike population replacement where ideally the DEG does not affect fitness, now a DEG is designed that does cause substantial harm to the population. Consider the case where the DEG is inserted in a chromosome in the middle of a functional gene whose activity it disrupts. Focus first on a fully dominant gene where functional homozygotes and heterozygotes have the same fitness (which we can define to be 1) but non-functional homozygotes have fitness 1 – س. Will the DEG spread? Let us suppose that the DEG acts after the functional gene is expressed so that the conversion of a heterozygote to a non-functional homozygote does not affect the fitness of the individual in which it occurs. When rare, the DEG is nearly always in a heterozygote and its fitness is near the wild type because the functional gene is fully dominant. It will thus begin to spread through the population for the reasons described above.

As the DEG advances through the population more and more non-functional homozygotes will be produced and this will clearly act to slow its spread. We can ask whether the DEG reaches an equilibrium frequency which we denote ف. At equilibrium, by definition, the number of copies produced by arbitrarily chosen individual DEG and wild-type alleles should be equal—if this were not true then the frequency would change. An exactly equivalent condition is that the net costs and benefits for each allele due to the segregating DEG should be the same at the equilibrium frequency ف (Additional file 1: Note 3). Consider first a wild-type allele: as a homozygote it is unaffected by the DEG but with probability ف it is in a heterozygote and suffers the risk of conversion ه (so the net effect is –qe). Now the DEG will be in a heterozygote with probability (1 – ف) and gain the benefit of conversion with probability ه, while with probability ف it will be in a homozygote and suffer fitness costs س (so the net effect is (1 − ف)هqs). Equating the net effects for the two alleles and solving for ف we obtain ف = ه/س.

The fate of the DEG thus depends solely and simply on homing frequency ه and the fitness reduction س (note, س will be high for population suppression and low for population replacement). When the fitness effects are greater than the homing frequency (س > e) there will be a (stable) polymorphism with both alleles present but when the reverse is true (س < e, implying ف > 1, which is impossible) the DEG will increase to fixation and the wild-type allele disappear (Fig. 2).

The spread of different types of DEGs where homozygote fitness is reduced by 80% (in all examples homing occurs after the gene is expressed). In all panels ميلادي are recessive DEGs: أ, cost is increased mortality in both sexes ب, cost is a reduction in female fecundity and homing only in females ج، كما ب but homing in both sexes د، كما ب but homing in males only ه، كما أ but now heterozygote fitness half that of homozygote. أ The spread of different constructs when the homing rate is 0.9 and the initial frequency of the DEG is 0.01. ب Equilibrium population load as a function of homing rate. ج Rate of spread from rare as a function of homing rate (increase in frequency per generation)

The fact that a gene that reduces population fitness can spread is the basis for the strategy of population suppression. In this simple case of a dominant functional gene it is straightforward to calculate the genetic load the spread of the DEG places on the population [20]. At equilibrium, the frequency of homozygote DEGs is ف 2 : relative population fitness is thus reduced from 1 to 1 – ف 2 س. In the case where the DEG goes to fixation (سه) and so ف = 1 then population fitness is 1 – س. The load is thus the same as the fitness reduction of the DEG homozygote. Where there is a polymorphism (and ف = ه/س) the load is ف 2 س = ه 2 /س. The potential power of a potent DEG to reduce population fitness is thus very great. For example, were homing to be absolute (ه = 1) then DEGs targeting genes that reduced population fitness to near zero (س → 1) would spread, leading to certain elimination.

We have dwelt at some length on this simplest of cases to try to provide an intuitive understanding of why DEGs spread. It is straightforward to relax the simplifying assumptions, though typically mathematical reasoning has to replace verbal arguments, and in Additional file (and for full details see [20]) we explore some of these issues. Potential candidate genes to be targets for DEGs include viability or fecundity genes that may be active in both sexes or just one. Theory suggests female fecundity genes may be the most effective single genes to target (Fig. 2 Additional file 1: Note 4). DEGs can still spread if they target genes where heterozygote individuals have reduced fitness, and mild heterozygote and homozygote costs are not a barrier for population replacement strategies. High heterozygote costs can lead to complex dynamic behaviours [20, 27, 28] and such genes are poorer targets when population replacement is the goal (Fig. 2 Additional file 1: Note 5). Finally, for population suppression there is a clear advantage in choosing a DEG that homes after the developmental stage during which the target gene is expressed so that the costs imposed by the DEG do not reduce the boost it gets from converting heterozygotes to homozygotes (Additional file 1: Note 6). This advantage is much less important for population replacement strategies and several recent models motivated by this type of intervention assume homing occurs early in development [28, 29].

It is also possible to explore the speed with which a DEG spreads through a population, an important question in designing deployment strategies (Additional file 1: Note 7). In Fig. 2a at the time required for a selection of DEGs to spread is plotted, which shows that rapid increases in frequency can occur over a relatively small number of generations.

Where population suppression is being attempted, multiple DEGs targeting different essential genes can be introduced into a population at the same time. The dynamics of these DEGs is largely independent (homing acts to break up linkage associations between alleles even if they are quite close together on the chromosome). Where each DEG reduces population fitness by an amount إل (the load) the overall reduction is 1 – (1 – إل 1) (1 – إل 2) … (1 – إل ن), where the subscript indexes the load of each of the ن DEGs. Thus, even if any individual load is quite small, the combination of multiple drags on population fitness quickly adds up [30, 31].


شكر وتقدير

We thank the Australian Genomic Research Institute (AGRF) in Melbourne. AO is supported by NHMRC Career Development Fellowship (1051481). KA is supported by the Poultry CRC for Sex Determination. CS is funded through an Australian Research Council (ARC) Future Fellowship, while KR is funded through an ARC Discovery Project Grant. AS is supported by an NHMRC Program grant (546517). FG is an ARC Research Fellow. DD is supported by a PhD scholarship from the Malaysian Government. This research was conducted within the Poultry CRC, established and supported under the Australian Government's Cooperative Research Centres Program. MCRI is supported by the Victorian Government's Operational Infrastructure Support Program.


Additional files

الملف الإضافي 1: الشكل S1.

Derivation of mouse ES cell lines. F1 hybrid blastocysts were obtained at embryonic day 3.5 from reciprocal crosses of mouse substrains C57BL/6 and CAST/EIJ (designated as B and C, respectively). Blastocysts were cultured individually and used to establish independent cell lines.

Additional file 2: Table S1.

Additional file 3: Table S2.

Transcription factor motifs enriched in promoters of differentially expressed genes in female and male ES cells.

Additional file 4: Table S3.

Catalog of transcription factors (TFs) and epigenetic and remodeling factors (ERFs) expressed differentially in female and male ES cells.

Additional file 5: Figure S2.

Identification of candidate regulatory elements. (A) Top, graphic display of the conservation profiles for regions upstream of Zfx from Dcode.org [64, 110]. The base genome is mouse. Evolutionarily conserved regions (ECRs) of a minimum of 100 bp conserved above 70% sequence identity are displayed as red (intergenic) peaks, with the x-axis representing positions in the base genome and the y-axis representing percentage identity between the base and the aligned genomes. Predicted transcription factor motifs are depicted as colored bars. Arrowhead points to predicted motif of TF expressed more highly in female ES cells. Bottom, UCSC genome browser view of the same regions including histone modifications from ENCODE data in mouse ES cells (http://genome.ucsc.edu, NCBI37/mm9). (B) Conservation analysis, TF motif prediction and UCSC browser view as in (A) for the Tcf3 الجين. Arrowhead points to predicted motif of TF expressed more highly in male ES cells. (C) Conservation analysis, TF motif prediction and UCSC browser view as in (A) for the Apln gene, with arrowheads indicating motifs predicted to bind TFs more highly expressed in male ES cells.

Additional file 6: Table S4.

Expression in undifferentiated murine embryonic stem (ES) cells of genes that escape X chromosome inactivation (XCI) after differentiation (BC cell lines).

Additional file 7: Table S5.

Examples of genes expressed in undifferentiated ES cells of genes that do not escape XCI (BC cell lines).

Additional file 8: Figure S3.

Allele-specific expression analysis for imprinted gene Cdkn1c. RT-PCR was followed by allele-specific restriction digest of the Cdkn1c coding sequence and polyacrylamide gel analysis. A single nucleotide polymorphism in the M. castaneus allele generates a restriction site for aTaqI. Two different F1 hybrid ES cell lines each derived from reciprocal crosses of C57BL/6 (B) and CAST/EIJ (C) mice exhibited monoallelic (BxC) and biased expression (CxB) from the maternal allele. The first lane is the marker, the last two lanes are digested controls from PCR products from B and C genomic DNA.

Additional file 9: Figure S4.

Comparison of expression differences for 14 selected genes from our dataset with a single-cell (sc) RNA-seq study [75] shows a high degree of correlation. Individual plots of expression from the scRNA-seq analysis shows the variability within the assay and the abundance of zero readouts for some genes. To avoid this confounder, a sign test was performed using a binomial exact test which affirmed the sex-specific biases seen within our dataset.

Additional file 10: Table S6.

Genes with a sex-specific bias that overlap between ES cells and 5.5 dpc embryos.

Additional file 11: Figure S5.

Chromosomal distribution of genes enriched in BCO when compared to BCF ES cells. BCO ES cell lines had enrichment of 423 genes, 49% of which overlapped with genes enriched in BCM relative to BCF (FDR < 0.01). The genes common to both BCO and BCM had statistically higher enrichment relative to BCF, averaging 2.55- versus 2.23-fold (students t-test, two tailed ص & lt 0.001). Error bars denote standard deviation.



تعليقات:

  1. Hroc

    أؤكد. أنا أشترك في كل ما سبق. يمكننا التواصل حول هذا الموضوع.

  2. Kaylyn

    انت على حق تماما. هناك شيء في هذا وأعتقد أن هذه فكرة رائعة للغاية. اتفق معك تماما.

  3. Ratib

    رائع ، هذا شيء مضحك

  4. Zoltan

    انها فكرة جيدة.

  5. Sinclair

    أعتذر عن عدم القدرة على المساعدة. آمل أن يتمكن الآخرون من مساعدتك هنا.



اكتب رسالة