Cristian Cañestro가 2000 년대 초에 뇌와 백본이있는 동물이 어떻게 진화했는지 연구하기 위해 출발했을 때, 그는 Oikopleura 라는 바다 분출을 골랐습니다. 유용한 주제로. 모든 바다 분출과 마찬가지로, 그것은 작은 뇌와 신경 코드를 가지고 있지만 다른 것과는 달리 oikopleura 성숙으로가는 길에 변성을 겪지 않습니다. Cañestro는 Oikopleura 을 생각했습니다 아마도 다른 바다 분출보다 단순하고 더 많은 조상 특징을 유지했을 것입니다.
바르셀로나 대학교 (University of Barcelona)의 유전학, 미생물학 및 통계학 교수이자 생물 다양성 연구소의 그룹 리더 인 Cañestro는“그리고 그것은 좌절의 시작이었습니다. 그의 팀은 oikopleura 내에서 특정 유전자를 찾을 수 없었습니다. 동물에 걸쳐 매우 보존되어 있기 때문에 거기에 있어야했던 게놈. 특히, 레티노 산의 합성, 변형 또는 분해에 관여하는 유전자 중 어느 것도 존재하지 않았다. 레티노 산에 대한 수용체도 아니었다. 그러나 레티노 산 신호 전달은 뇌, 신경 코드 및 기타 중요한 특징을 만드는 데 필수적인 것으로 생각되었습니다. 또한, Oikopleura 또한 심장 조직의 발달을 유발하는 데 중요한 유전자가 부족합니다.
“당신이 당신의 마음 속에 차가 상상한다면, 물론 바퀴가 있습니다. 이제 바퀴가없는 차를 찾았다 고 말하면 어떨까요?” Cañestro가 물었다. “우리는 구조가 여전히 존재하더라도 우리가 생각한 것들이 존재하지 않는 상황을 발견했습니다. 그리고 그것은 당신이 일부 유전자의 필수성을 다시 생각하게 만듭니다.”
자연 생태 및 진화에 등장한 두 가지 놀라운 분석 올해 초반에는 부 필수 유전자가 얼마나 많은 유전자가 될 수 있었으며, 진화가 얼마나 창조적으로 진화가 그들을 잃을 수 있는지에 대한 집을 망쳐 놓았습니다. 스페인과 영국의 연구원들은 동물 왕국의 수백 개의 게놈을 분석함으로써 놀라운 유전자 손실이 생명의 나무에 퍼져 있음을 보여주었습니다.
그들의 결과는 초기 동물조차도 인생의 초기에 전례없는 유전자 복제의 박차로 인해 비교적 복잡한 게놈을 가졌다는 것을 시사합니다. 나중에, 동물의 계통이 별개의 신체 계획을 갖는 다른 필라로 진화함에 따라, 많은 유전자가 사라지기 시작했으며, 그 후에 진화의 주요 요인이되었다. 사실, 유전자의 손실은 많은 유기체 그룹이 조상들로부터 멀어지고 새로운 환경 문제에 대한 승리에 도움이 된 것으로 보인다.
최근까지 독일의 프리드리히 실러 대학교 예나 (Friedrich Schiller University Jena)의 식물 생물 학자 인 ün (Günter Theißen)은 최근까지 진화의 유전자 손실은“아무것도 보지 못하면 찾을 수 없기 때문일 수도 있지만, 찾을 수 없을 수도 있기 때문에 연구하기가 어려웠다”고 말했다. 과학자들은 유전자 손실이 공생 또는 기생 종에서 가장 흔할 수 있다고 생각하여 파트너 나 호스트에게 많은 기능적 요구를 아웃소싱하여 스스로를 단순화 할 수 있습니다.
.그러나 점점 더 높은 품질의 게놈의 가용성은 전체 동물 왕국에서 유전자 손실 패턴을 검사 할 수있게 해주었 고 현상은 단순화되거나 기생 혈통 및 동물 그룹에 국한되지 않았다는 것을 분명히 밝혔습니다. 비교 유전체학을 연구하는 브리스톨과 두 개의 큰 게놈 분석 중 하나의 공동 저자.
유전자 손실이 동물 왕국 전체에서 진화하는 데 중요하다는 인식은 새로운 문을 열어줍니다. 유전 학자들이 유전자가하는 일을 이해해야 할 때, 그들은“녹아웃”돌연변이로 실험실 마우스를 만들고 동물이 손실에 어떻게 대처하는지 여부와 방법을 볼 수 있습니다. 자연이 사실상 oikopleura 뿐만 아니라 자체적으로 광범위한 녹아웃 실험을 실행하고 있다는 발견 그러나 모든 종류의 복잡한 유기체와 함께-Evo-Devo로 알려진 징계의 초점 인 Evolution이 어떻게 발전을 형성하는지에 대한 풍부한 통찰력을 제공해야합니다.
.사용하거나 잃어버린
유전자가 생명과 건강을 가능하게하는 특성을 부여하기 때문에 진화의 유전자 손실은 손상된 사건처럼 들릴 수 있습니다. 개인이 진정으로 필수적인 유전자를 잃으면 죽거나 번성하지 못할 수도 있고 자연 선택이 인구에서 벗어날 수 있다는 것은 사실입니다. 그러나 실제로 진화하는 동안의 유전자 손실의 대부분은 유기체에 대한 체력 결과가없는 중립적 일 가능성이 높다고 Max Planck Genomicist of Molecular Cell Biology and Genetics의 진화론자 인 Michael Hiller는 독일의 Dresden에 있습니다.
그 이유는 환경이나 행동의 변화가 발생하면 유전자를 덜 필요로하는 진화 유전자 손실이 종종 발생하기 때문입니다. 예를 들어, 주요 영양소 나 비타민이 갑자기 더 많이 이용 가능 해지면, 그것을 만들기위한 생합성 경로는 분배 가능해질 수 있으며, 돌연변이 나 다른 유전자 사고로 인해 경로가 사라질 수 있습니다. 선택이 더 이상 보존되지 않기 때문에 불필요한 카피가 쇠퇴 할 때 기회 유전자 복제 후에도 손실이 발생할 수 있습니다.
식물은 많은 식물 종들이 전체 게놈 복제와 유전자 손실의 파도를 겪었 기 때문에이“그것을 사용하거나 잃어버린다”전략의 풍부한 예를 제공한다고 Friedrich Schiller University Jena의 식물 생물학자인 Lydia Gramzow는 설명했다. 때로는 중복 사본이 손실되기 전에 수백만 년 동안 지속되기 전에 Gramzow와 Thießen이 여전히 조사 중입니다.
아라비돕시스에서 다른 형태의 유전자를 보았던 최근의 연구에서 전 세계의 식물에 따르면 중국과 캘리포니아의 연구자들은 단백질 코딩 유전자의 약 66%가 기능 상실 변이체로 알려진 버전이 깨 졌다는 것을 발견했습니다. 놀랍게도, 이들 덜 기능성 유전자의 1%는 긍정적 인 진화론 적 선택하에 있었다. 이 결과는 1999 년 워싱턴 대학교의 유전학 연구원 Maynard Olson이 제안한 흥미로운 아이디어를 검증합니다.
동물에서 적응 형 유전자 손실의 가장 좋은 예 중 하나는 지난해 Hiller가보고 한 바와 같이 다른 포유류에서 볼 수있는 85 개의 단백질 코딩 유전자를 잃은 Cetaceans (고래 및 돌고래를 포함한 수생 포유류의 순서)에서 볼 수 있습니다. 이러한 손실 중 다수는 아마도 중립적이지만 일부는 다이빙 중 혈관의 좁아 져서 다이빙 관련 적응과 관련이있는 것 같습니다. 잃어버린 유전자 중 하나 인 klk8 , 그것은 피부의 땀샘과 뇌의 해마의 발달에 관여하기 때문에 흥미 롭습니다. Cetaceans는 땅에서 물로 전환하는 동안 그것을 잃었습니다. 이 유전자의 손실은 두꺼운 표피의 발달과 관련이 있으며 모발의 손실 (머리카락은 수생 환경에서는 적응하지 않으며, 이곳에서 항력을 생성하고 육상 동물에서와 같이 체온을 보존하지 않습니다).
Hiller의 그룹은 반복 가능하고 예측 가능한 유전자 손실이 얼마나되는지 조사하기 위해 육식성 및 초식 포유 동물의 계통에서 수렴 유전자 손실을 연구했습니다. 많은 유전자 손실에는 동물이 더 이상 필요하지 않은 특성과 관련이 있었지만 Hiller는 적어도 하나의 손실이 적응 적이라고 제안합니다. 식이 요법에서 지방을 소화하기위한 효소를 억제하는 PNLIPRP1로 지정된 특정 단백질이 있습니다. 많은 초식 동물 그룹 이이 단백질을 코딩하는 유전자를 독립적으로 잃어 버렸지 만 전용 육식 동물은이를 유지했습니다. 실험에서,이 유전자가 마우스 (잡식성)에서 녹아웃 될 때, 동물은 음식에서 너무 많은 칼로리를 얻기 때문에 과체중이됩니다. 초식 동물이 저지방 다이어트에서 벗어날 수있는 최대한 활용해야하기 때문에 동물은 pnliprp1에 매달릴 이유가 거의 없습니다.
마찬가지로 비슷한 생태에 서식하는 효모에서는 수렴 손실이 발생했습니다. 싱가포르 국립 대학교 (National University of Singapore)의 Temasek Life Sciences Laboratory의 수석 조사관 인 Gregory Jedd는 Neolecta 에 관심을 갖게되었습니다. , 다세포 곰팡이의 모든 특성을 가진 모호한 유기체 그룹은 효모로 분류됩니다. 캘리포니아 대학교에서 제드와 그의 동료 Jason Stajich 이후, Riverside는 neolecta 의 게놈을 시퀀싱했습니다. 종, 그들은 neolecta 인 수백 개의 조상 유전자를 식별 할 수있었습니다. 그리고 다른 다세포 곰팡이는 유지되었지만 두 개의 단세포 효모, 신진 효모 ( s accharomyces cerevisiae , 브루어와 베이커에게 잘 알려진)와 핵분열 효모 ( schizosacchcharomyces pombe , 중앙 아프리카에서 바나나 맥주를 만드는 데 사용되었습니다)는 각각 별도로 잃어 버렸습니다.
이 발견은 효모가 독립적으로 다세포 조상으로부터 그들의 단세포 수명을 진화 시킨다는 것을 제안했다. 많은 잃어버린 유전자가 산소 대사 반응에 관여하기 때문에, 신진 및 핵분열 효모는 각각 산소가 부족한 서식지에서 번성하기 위해 동일한 유전자의 기능적 제거에 각각 타격을 입을 수 있습니다. 수렴 유전 적 변화는 효모의 단세포 및 "교수형 혐기성"라이프 스타일에 대한 최적의 솔루션을 반영 할 수 있습니다. Jedd는“이것은 진화가 우리가 생각했던 것보다 더 예측 가능하고 결정적 일 수 있음을 시사하기 때문에 흥미 롭습니다.
나중에, 효모 게놈의보다 포괄적 인 분석은 유전자 손실이 효모 계통 전체에 걸쳐 널리 퍼져 있음을 보여 주었다. Vanderbilt University의 Antonis Rokas, Wisconsin Energy Institute의 Chris Todd Hittinger와 그들의 공동 저자는 그들의 논문에 다음과 같이 썼습니다.“우리의 결과는 환원 진화가 진화 적 다각화의 주요 모드라고 주장합니다.”
물론, 유전자를 제압하는 유전자에 의해 진화 할 위험은 특정 환경 조건에서 유전자가 분배 되더라도 수백만 년 후에 다시 필요할 수 있다고 Jedd는 말합니다. 그럼 뭐? 적어도 효모는 때때로 유전자를 되 찾을 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.
리스본 대학교 (University of Lisbon)의 박사후 연구원 인 칼라 곤잘레스 (Carla Gonçalves)는 알코올 발효 효소를 잃어버린 효모의 혈통과 함께 일합니다. 그녀는이 능력이 복원되었다고 그녀는 효모가 수평 유전자 전달을 통해 그 유전자의 박테리아 버전을 획득했을 때 발견되었다. 사실, 그녀는 효모가 다양한 대사 경로와 관련된 다양한 유전자를 잃어 버렸고 여러 박테리아에서 반응했다고 말합니다.
효모는 신진 대사 미덕에 혼자가 아닙니다. 돌고래와 고래, 구세계 과일 박쥐 및 코끼리 (비교적 큰 두뇌가있는 3 개의 혈통)는 모두 유전자를 잃어 버렸습니다. hmgcs2 , 과학자들이 생각했던 신진 대사 과정 인 케톤 생성에 필요하다. 뇌 세포는 포도당을 소비하지만, 그것을 사용할 수 없을 때, 그들은 지방산의 케톤 몸체로 연료를 공급합니다. 지방산을 케톤 몸체로 전환시키는 효소 인 HGMCS2는 금식 중에 특히 중요해진다.
이 효소가없는 동물은 종종 기아에 민감합니다.이 유전자를 잃은 과일 박쥐는 24 시간 동안 굶주린 후에 죽을 수 있습니다. 그러나 Cetaceans와 Elephants는 훨씬 더 빨리 빨라질 수 있습니다.“그리고 이것은 어떻게 든 기아 기간 동안 뇌에 연료를 공급할 수있는 다른 방법을 찾아야한다고 말합니다.
실제로, 진화론 적 기록은 hmgc 의 손실이 있음을 나타냅니다. s 2 코끼리와 카테아 계보에서 뇌 크기의 독립적 인 진화 적 확장 전에 발생했습니다. Hiller는“포유류 진화에서 큰 두뇌는 케토 생성이 대사 과정으로서 두 번 이상 진화했다”고 말했다. "이것은 에너지 대사가 이전에 인식 한 것보다 더 유연하다는 것을 보여줍니다."
코끼리와 카테아 사람들이 케톤 생성없이 배고픈 뇌를 공급하는 방법은 여전히 알려져 있지 않지만 생리 학적 도전을 해결하기위한 대안적인 방법을 진화 한 것으로 보입니다. Hiller는“이 핵심 유전자가 손실된다는 것을 알지 못한 채도 이것이 탁월한 계보임을 알지 못했을 것입니다.
Jedd는 이러한 사례가 매력적이며 처음에 일어 났을 때 최적이었던 새로운 솔루션에 대한 의문을 제기한다고 말합니다.
주요 유전자를 빼서 진화가 달성 한 대사 또는 발달 퍼즐에 대한 다양한 솔루션은 새로운 생물학적 통찰력을 드러내는 것 이상을 수행 할 수 있습니다. 그들은 인간 질병에 대한 새로운 생물 의학적 개입에 영감을 줄 수있었습니다.
Hiller는 수술 가능성이 인간의 질병과 관련이있는 유전자가없는 동물에게 어떤 일이 일어나는지 살펴 보았습니다. 흥미로운 경우에는 유전자의 손실이 다른 포유 동물에서 질병 증상을 유발하는 것으로 알려져 있지 않습니다. 예를 들어, TBX22 전사 인자에 대한 유전자가 인간에게 수술이 부적합한 경우, 구개 구개를 유발할 수 있습니다. 그러나 기니피그, 개 및 케이프 골든 몰에는 유전자가 없습니다. 구개 결함없이 그들이 어떻게 발달하는지 연구하는 것은 생의학 연구의 유망한 방향이 될 수 있습니다.
이 접근법은 일반적인 실험 모델을 머리에 바꿉니다. 일반적으로 연구자들은 질병 상태를 재현하기 위해 마우스 또는 다른 모델 유기체로 도입하여 질병 돌연변이를 연구합니다. 그러나 진화론적인 녹아웃을 식별하면“같은 유전자를 잃어 버렸음에도 불구하고 아프지 않는 방법”을 밝힐 수 있다고 Hiller는 설명했다. “개념적으로 다른 방향입니다.”
보다 일반적으로, 생명 나무에서 유전자 손실의 광범위함은 진화 발달 생물학에서 고전적인 주제의 역전을 가리킨다. Cañestro는 1970 년대와 80 년대에“큰 충격은 파리와 인간이 같은 유전자를 사용한다는 것을 발견하는 것이 었습니다. Fly pax6 을 교체하십시오 인간 버전을 가진 유전자와 파리는 여전히 시선을 사로 잡을 수 있습니다. "이제 우리는 때때로 자라는 구조가 동일하다는 것을 알게되지만 구조를 만드는 일을 담당하는 유전자는 많은 차이가 있습니다." “어떻게 많은 다른 유전자가있을 수 있고 여전히 구조가 동일 할 수 있습니까? 그것이 Evo-Devo의 역설입니다.”
예측 가능한 손실
오래된 문제에 대한 새로운 솔루션
