2R-гипотеза¶

2R-гипотеза — это научная гипотеза в эволюционной биологии, предполагающая, что в процессе эволюции позвоночных животных произошло два полных раунда (две дупликации) генома. Согласно гипотезе, эти события случились на ранних этапах эволюции предков позвоночных, что привело к значительному увеличению генетического материала и, как следствие, к усложнению организации и появлению новых функциональных возможностей. 2R-гипотеза также известна как гипотеза о двух раундах дупликации генома (от англ. two rounds of genome duplication).

¶История возникновения

Идея о том, что дупликация генома могла сыграть ключевую роль в эволюции позвоночных, впервые была высказана в 1970 году американским генетиком Сусуму Оно в его книге «Эволюция путём дупликации генов». Оно предположил, что позвоночные произошли от предка, который пережил по меньшей мере одну полную дупликацию генома. Однако окончательное оформление гипотезы в виде двух раундов произошло в 1990-х годах, когда были получены первые молекулярные свидетельства.

В 1994 году группа исследователей под руководством Питера Холланда (Peter Holland) и Джона Гарсии-Фернандеса (Jordi Garcia-Fernàndez) на основе анализа генов Hox-кластера у позвоночных и беспозвоночных предложила, что у предков позвоночных произошли две последовательные дупликации генома. Это объясняло наличие у позвоночных четырёх Hox-кластеров (у млекопитающих — HoxA, HoxB, HoxC, HoxD), в то время как у беспозвоночных, например у ланцетника, обнаружен только один такой кластер. Гипотеза получила название «2R-гипотеза» (от англ. two rounds).

¶Суть гипотезы

2R-гипотеза утверждает, что в эволюционной линии, ведущей к современным позвоночным, произошли два последовательных события полной дупликации всего генома. Первый раунд дупликации, по оценкам, случился около 600–550 миллионов лет назад, вскоре после отделения предков позвоночных от общих предков с оболочниками (туникатами). Второй раунд произошёл примерно 500–450 миллионов лет назад, уже после отделения миног и миксин (круглоротых) от линии, ведущей к челюстноротым позвоночным.

В результате этих дупликаций геном предков позвоночных увеличился в объёме примерно в четыре раза по сравнению с геномом их беспозвоночных предков. Большинство дублированных генов впоследствии утратилось, но некоторые сохранились и приобрели новые функции, что способствовало усложнению анатомии и физиологии позвоночных.

¶Механизм дупликации

Предполагается, что механизмом дупликации могла быть автополиплоидизация — удвоение числа хромосом в результате нерасхождения хромосом в мейозе или митозе. Альтернативная гипотеза — гибридизация между близкородственными видами с последующим удвоением генома (аллополиплоидия). Однако точный механизм остаётся предметом дискуссий.

¶Доказательства и свидетельства

Основные доказательства в пользу 2R-гипотезы получены из сравнительной геномики.

¶Сравнение Hox-кластеров

Наиболее известное свидетельство — наличие у позвоночных четырёх Hox-кластеров, тогда как у беспозвоночных (например, у ланцетника Branchiostoma floridae) обнаружен только один. Hox-гены регулируют развитие передне-задней оси тела, и их дупликация позволила позвоночным развить более сложную сегментацию и специализацию конечностей.

¶Филогенетический анализ

Филогенетические деревья многих семейств генов (например, генов, кодирующих факторы транскрипции, рецепторы, сигнальные молекулы) показывают, что у позвоночных часто присутствуют четыре гомологичных гена, соответствующих одному гену у беспозвоночных. Это характерно для таких семейств, как Wnt, FGF, Hedgehog, TGF-β и других.

¶Синтения (сохранение порядка генов)

Сравнение хромосомных карт позвоночных и беспозвоночных выявило участки, где порядок генов частично сохраняется, но у позвоночных эти участки встречаются в четырёх копиях. Например, у человека обнаружены четыре паралогичных участка на хромосомах 1, 6, 9 и 19, которые соответствуют одному участку у ланцетника.

¶Геномные данные

Секвенирование геномов миног и миксин (круглоротых) показало, что у них, вероятно, произошла только одна дупликация генома (или неполная), что согласуется с гипотезой о том, что второй раунд произошёл после их отделения от линии челюстноротых.

¶Критика и альтернативные гипотезы

2R-гипотеза не является общепризнанной и подвергается критике.

¶Аргументы против

• Отсутствие прямых доказательств. Дупликации произошли сотни миллионов лет назад, и их следы сильно размыты последующими перестройками генома.
• Неровное распределение дупликаций. Некоторые гены у позвоночных присутствуют не в четырёх, а в двух или трёх копиях, что не соответствует предсказанию гипотезы. Это может объясняться дифференциальной потерей дубликатов, но критики считают, что такая вариабельность указывает на серию мелких дупликаций, а не на два полных раунда.
• Альтернатива — гипотеза множественных локальных дупликаций. Согласно этой гипотезе, увеличение числа генов у позвоночных произошло не за счёт двух полных дупликаций генома, а за счёт множества независимых дупликаций отдельных генов или участков хромосом, растянутых во времени.
• Проблемы с датировкой. Некоторые молекулярные часы показывают, что дупликации могли происходить не синхронно, а в разные периоды, что противоречит идее двух чётких раундов.

¶Текущий консенсус

На сегодняшний день большинство исследователей признают, что в эволюции позвоночных произошла по меньшей мере одна полная дупликация генома (так называемая «1R-гипотеза»), а также множество локальных дупликаций. Вопрос о втором раунде остаётся открытым. Некоторые данные, особенно по Hox-кластерам, указывают на два раунда, но другие геномные свидетельства допускают и альтернативные сценарии. В целом 2R-гипотеза рассматривается как рабочая модель, требующая дальнейшей проверки.

¶Значение для эволюционной биологии

2R-гипотеза имеет важное значение для понимания эволюции позвоночных. Если она верна, то дупликация генома стала ключевым фактором, позволившим позвоночным развить сложные системы органов, включая нервную, иммунную и сердечно-сосудистую. Увеличение числа генов создало резерв для эволюционных новшеств: дублированные гены могли приобретать новые функции (неофункционализация) или разделять исходные функции между собой (субфункционализация).

Гипотеза также объясняет некоторые парадоксы сравнительной анатомии, например, почему у позвоночных часто встречаются парные структуры (парные конечности, парные органы чувств), что могло быть следствием дупликации генов, регулирующих развитие.

¶Примеры генов, сохранившихся после дупликации

¶См. также

• Дупликация генома
• Эволюция позвоночных
• Hox-гены
• Полиплоидия

¶Примечания

¶Источники

• Ohno, S. (1970). Evolution by Gene Duplication. Springer-Verlag.
• Holland, P. W. H., & Garcia-Fernàndez, J. (1994). «Hox genes and the evolution of vertebrate body plans». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 344(1309), 293–300.
• Dehal, P., & Boore, J. L. (2005). «Two rounds of whole genome duplication in the ancestral vertebrate». PLoS Biology, 3(10), e314.
• Putnam, N. H., et al. (2008). «The amphioxus genome and the evolution of the chordate karyotype». Nature, 453(7198), 1064–1071.
• Smith, J. J., & Keinath, M. C. (2015). «The sea lamprey meiotic map resolves ancient vertebrate genome duplications». Nature Communications, 6, 8201.
• Sacerdot, C., et al. (2018). «Impact of whole genome duplication on the evolution of the vertebrate immune system». Frontiers in Immunology, 9, 2134.