1990 년대에 클론 군대가 독일을 침공했습니다. 10 년 만에 그들은 이탈리아, 크로아티아, 슬로바키아, 헝가리, 스웨덴, 프랑스, 일본 및 마다가스카르로 퍼져 나갔습니다. 강과 호수, 쌀두와 늪에서 혼란을 피우고있었습니다. 따뜻하고 차갑고 산성이며 기본적인 물에서. 범인 :대리석 가재라고 불리는 6 인치 길이의 랍스터와 같은 생물.
과학자들은 1995 년경 언젠가 유전자 돌연변이로 애완 동물 가재가 무성하게 재생산되어 수정되지 않은 알에서 그 자체로 클론을 만들 수있는 새로운 모든 여성 종을 일으킨다 고 의심합니다. 고의적으로 또는 우연히,이 돌연변이 체 중 일부는 수족관에서 야생으로 방출되어 수백만을 빠르게 곱하여 원주민 수로 종과 생태계를 위협했습니다.
.그러나 그들의 성공은 이상합니다. Heidelberg University의 생물학자인 Günter Vogt는“오늘날 존재하는 모든 대리석 가재는 단일 동물에서 비롯됩니다. "그들은 모두 유 전적으로 동일합니다." 일반적으로 유전 적 다양성의 부재는 인구가 환경의 미래에 매우 취약하게 만듭니다. 그러나 대리석 가재는 전 세계에서 번성했습니다.
자세히 살펴보면 가재의 균일 성은 게놈 깊이 일뿐입니다. 2000 년대 중반 Vogt와 다른 사람들이 수행 한 연구에 따르면, 이러한 수생 클론은 실제로 색상, 크기, 행동 및 장수가 상당히 다양합니다. 그것은 그들의 유전자 이외의 것이 그 다양성을 고무시키는 것을 의미합니다.
상식은 그것이 자연이 아니라면 양육 :동물의 게놈과 상호 작용하여 다양한 특성에 대한 다른 결과를 생성하는 환경 영향을 미쳤다고 말합니다. 그러나 그것은 전체 이야기가 아닙니다. 가재와 다른 유기체의 점수에 대한 새로운 연구는 3 차, 종종 볼 수있는 변동과 다양성의 원천에 대한 중요한 역할을 보여주고 있습니다.
자연 대 육성 대 소음
과학자들은 일반적으로 세포 또는 유기체의 표현형 (형태, 생리학 및 행동으로 표현하는 특성)을 유전 적, 환경 적 요인의 복잡한 합계, 또는“자연”및“양육”으로 간주합니다. 많은 연구는 전자의 기여를 식별하는 데 전념하고 있습니다. 예를 들어, 주어진 돌연변이가 사지의 형태 또는 질병의 발병을 어떻게 결정할 수 있는지를 고정시키는 것. 펜실베이니아 대학교 (University of Pennsylvania)의 시스템 생물학자인 아르 준 라즈 (Arjun Raj)는“이것은 확실히 매우 강력한 패러다임입니다. "우리는 그로부터 엄청난 양을 배웠습니다. 그리고 그것에 대해 이야기하는 것은 정말 쉽습니다."
.유전자 조절에 달려 있지 않은 모든 것은 영양에서 스트레스, 특유의 사회적 상호 작용에 이르기까지 다양한 환경 적 요인에 기인 한 경향이 있습니다. 트리니티 칼리지 더블린 (Trinity College Dublin)의 유전 학자이자 신경 과학자 인 케빈 미첼 (Kevin Mitchell)은“유기체 외부에 있어야한다는 것을 암시한다”고 생각하는 것은 생각의 선이다.
그러나 증거는 이것이 완전히 사실이 아니라는 것을 증명합니다. 게놈과 집을 공유하는 동일한 인간 쌍둥이는 정확히 동일하게 보이거나 행동하지 않습니다. 한 장애를 일으키는 돌연변이는 다른 쪽에서는 아닐 수 있습니다. 쌍둥이는 다른 지문을 가지고 있습니다.
박테리아, 클론 어류 및 근친 교배 파리와 생쥐의 개체군도 마찬가지입니다. 일부 병원체 또는 암 세포는 약물 내성을 발생시키는 반면 유 전적으로 동일한 자매 세포는 멸망합니다. 환경이 일정하게 유지되는 실험실에서 자란 대리석 가재 형제 자매는 다른 색상이나 모양이나 행동을 갖지 않아도됩니다. 차이는 전체 사회 계층을 확립하기에 충분히 중요합니다.
개별 유기체 내에서도 비대칭은 얼굴의 왼쪽과 오른쪽, 몸과 뇌 사이에서 발생합니다. 연구가 이러한 차이를 모두 설명 할 수없는 환경 효과로 기록 할 수는 없다는 것을 명확하게 만들고 있습니다.
소음이 남습니다 - 생물학적 과정을 특징 짓는 무작위 진전과 변동. 취리히 대학의 진화 생물 학자 인 안드레아스 바그너 (Andreas Wagner)는“소음이 불가피하다”고 말했다.
미첼은 소음을 피할 수 없게 만드는 것은 유기체가 유전자가 너무 복잡하다는 것이 유전자가, 철저하고 한 손으로, 정확히 구축하는 방법을 묘사하기에는 너무 복잡하다는 것입니다. 뇌의 배선만으로는 비교적 적은 지시로 발생해야합니다.
Mitchell은“게놈은 청사진이 아닙니다. “특정 결과를 인코딩하지 않습니다. 그것은 일부 생화학 적 규칙, 발달 배아가 자체 조직화 될 세포 알고리즘 만 인코딩합니다.” 분자는 세포에서 튀어 나와 상호 작용하여 무작위로 바인딩하고 당기고 확산됩니다. 단백질을 만들고 유전자를 켜고 끄는 과정은 Mitchell이 부르는이 "시스템의 분자 지터"에 종속됩니다. 이는 단백질 분자가 얼마나 많은 단백질 분자를 만들고, 접힘 및 접는 방법 및 그들이 결정을 달성하고 셀을 돕는 방법에 어느 정도의 무작위 성을 가져옵니다.
.결과적으로, 단일 세포를 전체 유기체로 바꾸는 복잡한 과정 인 개발이“약간 지저분해질 것”이라고 Mitchell은 말했다.
그러나 발달 소음은 종종 그 이상으로 해산되었습니다. 생물학적 시스템이 이상적으로 기능 해야하는 방법을 구름을냅니다. 그것은 그 자체로 생물학적 창의성의 원천으로 취급되지 않았으며, 행동이나 성격만큼 중요한 특성의 주요 차이를 기초 할 수있는 것처럼 보이지 않았습니다.
.과학자들이 그 소음의 영향에 초점을 맞추고 싶었더라도, 그들은 자신들이 벽에 부딪히는 것을 발견했습니다. 정의에 따르면, 소음은 체계적이거나 예측 가능하지 않으며, 결과적으로 분리하고 측정하기는 거의 엄청나게 어렵습니다. 파리 뇌 연구소 (Paris Brain Institute)의 신경 생물학자인 Bassem Hassan은“실제로 통제하기가 가장 어려운 [요소]입니다. “게놈을 가지고 놀 수 있고, 환경을 가지고 놀 수 있으며, 생리학을 가지고 놀 수 있으며, 다른 세포가 아닌 특정 세포를 활성화 할 수 있습니다. … 변형을 조작하고 관심의 특성의 차이의 원인임을 증명하는 것이 훨씬 어렵습니다.
미첼이 동의했다. 그는“그 본질적으로 임의의 물건은 일하기가 매우 어렵다”고 말했다.
.그러나 그것은 변화하기 시작했습니다. 유전자 발현, 단백질 생산 및 발달 운명 결정을 포함하여 단일 세포의 행동을 연구하기위한 도구는 과학자들이 더 미묘한 변화의 원인에 대해 질문 할 수있을 정도로 정교 해졌다. 그리고 그들이 찾은 것은 발달 소음이 더 이상 간과 할 수없는 역할을한다는 것입니다. 살아있는 시스템이 참을 수없는 피할 수없는 효과 일뿐 만 아니라, 해당 시스템이 이용하기 위해 진화 한 것이 개인의 적절한 개발의 필요한 동인으로 전환하고 심지어는 더 광범위하게 진화 할 수 있습니다.
.무작위성의 무지개
전환점이 2002 년에 나왔습니다. 박테리아와 무지개로 시작되었습니다.
California Institute of Technology의 생물학 및 생물 공학 교수 인 Michael Elowitz와 그의 동료들은 e의 변화를 테스트하기를 원했습니다. coli 같은 환경에서 자라는 세포. 그들은 세균에 유전자의 두 카피를 삽입했습니다. 하나는 시안 형광 단백질을 암호화하고 다른 하나는 노란색을 암호화했습니다. 그들은 유전자를 동일하게 조절하도록 설계했기 때문에, 세포가 동일한 양으로 두 단백질을 생성하는 것을 볼 것으로 예상했다. 대신, 각각의 개별 세포 내에서, 시안 및 황색 유전자는 고르지 않게 발현되었으며,이 비율은 세포마다 크게 다르다. 일부 세포는 청록색보다 노란색으로 빛나고 다른 세포는 노란색보다 시안이 더 많았습니다. 또 다른 사람들은 더 많은 혼합이었고, 모든 것이 무작위로 나타났습니다. 이 무지개, Elowitz와 그의 팀은 유전자 발현 과정에 내재 된 소음의 분명한 결과였습니다. 그들은 마침내“분자 지터”의 효과를보고있었습니다.
그 이후로 과학자들은 다른 세포 과정에서 본질적인 소음이 수행되는 역할을 연구했습니다. 동일한 세포의 집단이 어떻게 다른 특수한 후손을 일으키는지를 볼 수 있습니다. 세포 그룹 중 일부가 아닌 일부는 주어진 신호에 반응 할 수있는 방법; 발달 조직이 패턴 화되는 방식에서. 세포는 소음을 사용하여 행동과 생물학적 상태에 필요한 변동성을 만듭니다.
그러나 그것은 셀 수준에 있습니다. 이러한 차이는 그러한 많은 세포에서 균형을 잡는 경향이있을 수 있습니다. 소음이 실제로 더 높은 수준의 유기체에 영향을 줄 수 있는지 여부는 어른이 될 것
우선, 동일한 환경 조건에서 신중하게 제기 된 동일한 게놈을 가진 많은 개인으로 구성된 매우 구체적인 실험 시스템이 필요합니다. 어느 정도까지는 이루어졌습니다. 연구원들은 실험실에서 근친 교배형, 유 전적으로 동일한 날리가 탐색 작업에 응답 할 때 고유 한 선호도를 표시한다는 것을 발견했습니다. 클론 어류는 유 전적으로 가변 물고기에서 관찰 된 것만 큼 다양한 행동을 나타내며 물고기의 환경을 바꾸는 것은 무시할만한 영향을 미칩니다.
그러나 이러한 결과는 여전히 발달 사건 중 소음이 특정 차이를 일으킨다는 것을 증명하지 않습니다. 미첼은“걱정은 해부학이나 생리학에 약간의 변동성이 있다고 말할 때 사람들이 항상 돌아와서‘글쎄, 그것은 당신이 몰랐던 환경 적 요인 일 뿐이다.’
라고 말할 수 있다는 것입니다.그러나 12 월에 Preprint 사이트 Biorxiv.org에 게시 된 새로운 연구는 이런 종류의 작업을 유전자 발현 수준으로 가져갔습니다.
9 롤드 아르마딜로를 보라.
가 아닌 4 배
9 롤드 아르마딜로는 비정상적인 생식 전략을 가지고 있습니다. 그들은 항상 4 개의 쿼터, 유 전적으로 동일한 아르마딜로 아기를 낳습니다. 뉴욕의 Cold Spring Harbor Laboratory의 계산 생물 학자 인 Jesse Gillis와 그의 동료들은 임의의 발달 소음이시기를 결정하기 위해 그 출생 패턴을 이용하기로 결정했습니다.
작품에 관여하지 않은 Mitchell은“실험적으로 수행하는 것은 환상적인 시스템입니다. "아르마딜로를 좋아하지 않는 사람은 누구입니까?"
Gillis의 팀은 곧 유전자 발현의 변화가 매우 일찍 나타나는 것으로 나타났습니다.
그들은 5 개의 아르마딜로 쓰레기로부터 혈액 샘플을 얻었고, 동물의 출생 후 1 년 동안 RNA를 세 번 시퀀싱하고 독특한 유전자 발현 패턴에 대한 해당 데이터를 분석했습니다. 그들은 유전학에서 고전적인 무작위 과정을 보면서 시작했습니다 :X 염색체의 불 활성화.
아르마딜로, 인간 및 대부분의 다른 포유류에서 암컷은 각 세포에 2 개의 x 염색체가 있습니다. 수컷과 여성 사이의 X- 연결된 유전자의 발현 수준을 유지하기 위해, 개발 중 어느 시점에서 하나의 X 염색체가 완전히 꺼져 있습니다. Gillis에 따르면 세포가 유기체의 어머니로부터 물려받은 X 염색체를 끄는지 여부는 동전을 뒤집는 것처럼 우연히 발생합니다. 그러나 그 코인 플립 세트는 돌에 세트가 있습니다.
Gillis의 분석에 따르면이 임의의 동전 플립은 Armadillo 배아가 단지 25 개의 세포로 구성되었을 때 발생했습니다. 그리고 25 개의 무작위 모체 또는 부계 X 선택의 정확한 조합이 모든 배아에서 다르기 때문에, Armadillo Brood의 유 전적으로 동일한 각 구성원에 대한 영구적 인 "식별 서명"이되었습니다.
.그런 다음 그룹은 아르마딜로의 31 쌍의 염색체에 관심을 돌 렸습니다. 이 쌍의 염색체는 비활성화 된 X만큼 완전히 침묵하지 않지만, 각각의 활성과 각각이 전체 유전자 발현에 얼마나 많은 기여를하는지에 차이가 발생합니다. 연구원들은 기계 학습 방법을 사용하여 이러한 고유 한 비율이 세포 계통에 고정되었을 때 분석했습니다. 그들은 배아에 단지 수백 세포가있을 때 일어난 것으로 추정했습니다.
클론 어류에서 관련 작업을 수행했지만 연구에 참여하지 않은 Davis의 행동 생태학자인 Kate Laskowski는“이러한 사건은 너무 일찍 일어나고있다”고 말했다. “그들은 실제로 강한 다운 스트림 효과를 가질 수있는 기회가 있습니다. 개발 초기에 한 세포는 나중에 인생에서 수백, 수천, 수백만 개의 세포의 조상이 될 것입니다.”
그것은 물에 팽창하는 잔물결과 같습니다. 바위를 호수에 던지고, 무게와 모양이 던지는 힘과 함께 다른 바위와 다른 잔물결을 일으킬 것입니다. 잔물결이 퍼지는 방법에 대한 예측 가능한 물리학은 이러한 고유 한 초기 조건의 효과가 전파 될 수있게합니다. 마찬가지로, 각각의 아르마딜로 배아에서 약간 다른 유전자 발현 패턴을 설정하는 무작위 노이즈는 다른 발달 과정에 대한 영향을 통해 증폭되며 결국 특성의 차이를 산출합니다.
이러한 다운 스트림 효과가 무엇인지 결정하기 위해 과학자들은 전체 유전자 발현의 차이를 조사했습니다. 그들은 Armadillo 형제 자매가 20,000 개의 유전자 중 약 500 내지 700의 발현이 다양하다는 것을 발견했습니다 (과학자들은 또한 그들의 분석이 약간의 변동을 놓쳤을 것으로 기대하지만, 이것은 과소 평가 될 수 있습니다). 더욱이, 각 쓰레기에 영향을받은 것은 항상 같은 700 개의 유전자가 아니 었으며, 무작위가 변화를 지시했다는 추가 증거를 제공합니다.
이러한 유전자 발현 차이는 차례로 다양한 특성, 특히 면역 및 호르몬 과정과 관련된 특성의 차이와 상관 관계가있는 것처럼 보였다. 가장 분명히, 한 쓰레기에서 일부 유전자 중 일부는 근육 성장과 관련이 있었으며, 그 형제들은 실제로 크기가 크게 다릅니다. 이 협회를 강화하기위한 추가 작업이 필요하지만 Gillis와 그의 동료들은 아르마딜로에서 관찰 한 총 변동의 약 10%가 발달 소음에 기인 할 수 있다고 추정했습니다.
.Laskowski는“당신의 표현형과 당신이 어떻게 행동하는지에 대한 아이디어는 당신이 몇 십 ~ 몇 백 셀의 공이 될 때 겉보기에 임의의 사건의 결과 일 수 있습니다.”라고 Laskowski는 말했습니다.
행동에 영향을 미치는 변동
그 임의의 사건은 행동과 관련하여 가장 큰 역할을하는 것 같습니다. 예를 들어, 인간의 경우, 동일한 쌍둥이는 신체적으로보다 심리적 특성에서 훨씬 다릅니다. 그리고 심리적 차이는 뇌가 어떻게 정리되는지 반영하는 것으로 생각되기 때문에, 뇌는 과학자들이 보이기 시작하는 곳입니다.
발달하는 동안 뇌는 특히 시끄 럽습니다. 뉴런 사이의 연결은 끊임없이 성장하고 가지 치기가 종종 무작위로 진행됩니다. 이온 채널은 자발적으로 열리고 시냅스는 명백한 이유없이 신경 전달 물질을 자발적으로 방출합니다.
해부학 적 및 행동 특성의 발달 변화를 지배하는 유전자가 발견되었습니다. 이러한 유전자를 변경함으로써 연구자들은 뇌 형성과 행동을 지시하는 데 소음의 역할에 대한 가설을 테스트 할 수있었습니다. 이번 달 초에 Hassan과 그의 동료들이 Science에서 출판 한 논문에서 이번 달 초에 나왔습니다.
2013 년에, 그들은 특정 뉴런을 함께 연결하는 메커니즘에서 무작위성이 유 전적으로 동일한 파리의 뇌에서 회로 패턴의 변화를 일으켰다는 것을 발견했습니다. 이러한 신경 연결은 비행마다 다를뿐만 아니라 각 파리의 왼쪽과 오른쪽 뇌 반구 사이에 비대칭이었습니다. 새로운 논문에서 과학자들은 해부학 적 변화가 행동의 특정 차이에 대한 해부적 변화를 인과했다. 임의의 배선 패턴에서 더 큰 비대칭으로 파리는 목표를 향해 더 직접적으로 걸어 갔고, 더 많은 대칭을 가진 파리는 직조와 구불 구한 경향이 있었다. 연구원들이 유전자를 조작하여 신경 와이어링 과정이 결과 파리의 뇌에서 더 많은 대칭 연결을 생성 할 때, 파리의 대상 접근 방식에서 효율성이 떨어졌습니다. 비대칭을 유사하게 증가시키는 실험은 보행 경로를 똑바로 이끌었습니다.
대체로, 그들은 파리의 보행 행동의 변화의 35% ~ 40%가 연구 된 뉴런의 배선 패턴의 무작위 차이로 설명 될 수 있다고 추정했다. 시끄러운 뇌 발달이 인간의 독특한 행동 또는 심리적 특성에 영향을 줄 수있는 정도에 대해 궁금합니다. "내 뇌의 확률 론적 발달 사건으로 인한 사람으로서 내가 누구인지 얼마나 많은가?" 하산이 말했다.
Mitchell에 따르면 특성에 따라 50%가 높을 수 있습니다.
시끄러운 것으로 진화했습니다
이 연구자들의 다음 단계는이 소음으로 인한 변동이 동물의 체력에 어떤 영향을 줄 수 있는지 테스트하는 것입니다. 무작위 노이즈는 박테리아 및 기타 단일 세포 무성 유기체의 생존에 중요하다는 것이 알려져 있습니다. 그들에게 무작위 변동은 베팅 헤징으로 알려진 진화 전략을 허용합니다. 인구에 변형을 일시적으로 무작위로 도입하면 환경 조건이 변할 때 종의 생존 가능성이 향상됩니다. 예를 들어, 전염성 박테리아 중에서, 대사 휴면으로 무작위로 전환하는 몇몇 "persister"세포의 존재는 인구가 나머지를 닦아내는 항생제의 복용량에서 살아 남기 위해 도움이 될 수 있습니다.
소음은 또한 새로운 특성의 진화를 촉진하는 것 같습니다. Wagner 's Lab 및 기타 그룹의 미공개 작업에 따르면 e에서 유전자 발현에 더 많은 소음이 도입된다는 것이 밝혀졌습니다. coli 그리고 효모는 새로운 기능을 더 빨리 발전시킬 수 있습니다.
보다 복잡한 유기체의 발달에서 소음에 대한 이러한 종류의 적응 역할에 대한 증거는 덜 명확하다. 그러나 Hassan은 연구가 결국 점을 연결할 것이라고 가정하는 것이 합리적이라고 말했다.
Vogt는“일반적인 생물학적 원리라는 것은 의심의 여지가 없습니다.
발달의 무작위성이 유전 적 및 환경 변화만큼 중요하다는 사실은 표현형을보다 광범위하게 이해하는 방식을 변화시킬 수 있습니다. Laskowski는“우리는 항상 모든 것에 대한 패턴과 설명을 찾고 있습니다. “그래서 우리의 행동과 성격에 대해 생각할 때, 우리는 분명히``오, 이것은 당신이 어렸을 때 자란 방법에서’또는‘엄마에게 일어난 일이었습니다.’또는 큰 설명이었습니다. 그러나 그것은 그렇게 큰 설명이 아닐 수도 있습니다. 임의의 기회 일 수 있습니다.”
미첼이 동의했다. "우리의 많은 특성은 우리가 생각하는 것보다 더 타고난 것일 수 있습니다." (이것은 또한 2018 년에 출판 된 Mitchell의 주제이기도합니다. Engate :우리의 두뇌 배선이 우리가 누구인지 형성하는 방법 )
이 아이디어는 특히 높이 및 체질량 지수에서 지능 및 질병 위험에 이르는 특성을 예측하기 위해 유전학을 사용하려는 사람들에게 다른 영향을 미칩니다. Mitchell은“궁극적으로, 당신은 우리가 관심을 갖는 특성의 여러 측면에서 이런 종류의 무작위 변화가 중요하다면, 개인에 대해 어떤 것을 정확하게 예측할 수 있는지에 대해 정말로 제한 될 것입니다.
그럼에도 불구하고,이 세 번째 주요 변수를 포함시키기 위해 자연 발화 이분법의 확대는 많은 흥미로운 가능성을 열어줍니다. Mitchell은 다음과 같이 말했습니다 :이제 우리가 누구인지, 어떻게되었는지에 대해 다음에 확장 된 방정식이 무엇을 드러 낼지 볼 시간입니다.
.이 기사는 Investigacionyciencia.es 에서 스페인어로 재 인쇄되었습니다 .
