Az egér és a Drosophila a kutatások tanúsága szerint megosztja ugyanazokat a szabályozó géneket – de akkor hogyan fejlődött ki a morfológiai változatosság?

Jelentős genetikai különbségek márpedig biztosan vannak az élőlények között, ahogy már a puszta megjelenés alapján is valószínűnek tűnik. A különbségek egyik forrása biztosan a genomok kódoló kapacitásának különbségeiből ered, elsősorban a toolkit gének számának és funkciójának változása húzódhat meg a háttérben. A másik forrás: a toolkit gének (és más gének) eltérő felhasználásának lehetősége: a génkifejeződés időzítése, mintázata („pattern”), a gének kölcsönhatásainak a cisz-regulátor elemek evolúciójának („regulatory evolution”) köszönhető változatossága feltétlenül fontos tényezők. A génduplikációk a toolkit gének körén belül és kívül emelik az információtartalmat, így növelik a potenciális komplexitást.

A géncsaládok evolúciója tanulmányozható, a változások nyomon követhetők távoli rokon, különösen „bazális” azaz „mélyen elágazó” taxonok közötti különbségek alapján (a többi fejlődési vonaltól korán elkülönült, gyakorta sok ősi jelleget megtartó taxonokról van szó, mint pl. szivacsok, csalánozók, de a „mélység” értelmezése természetesen viszonylagos. A fejezetben általában törzsekről, legfeljebb osztályokról vagy rendekről lesz szó)

A géncsaládok tanulmányozása a nagyobb genomi változások két főbb időszakát derítette fel, amelyek korreláltathatóak a komplexebb állati formák kialakulásával:

furcsa, hogy a fejlődés toolkitje nem mutat alapvető eltérést a többi, igen változatos bilaterális törzs körében

A toolkit-fehérjék evolúciós/funkcionális változásai gyakorta nem elsődleges forrásai a morfológiai változásokat létrehozó genetikai változásoknak (sokszor változatlanul meg is marad a funkció), a”toolkit-mestergének” alá rendelt „target” (=célpont) „beosztott” gének (tkp génkészletek) változásai játszanak fontos szerepet.

Változásaiknál sokkal fontosabb, hogy a fejlődésben gyakorolt funkciójuk megmarad a távoli taxonokban, így a távoli ősök anatómiájára következtethetünk akár fosszíliák nélkül is, azaz - mint azt Sean Carroll szellemesen megfogalmazta - régészkedhetünk kalapács és véső nélkül, olyan lényekre vonatkozó alapvető megállapításokat vonhatunk le, amelyeket csak alig remélhető, hogy valaha is megtalálunk.

A toolkit géncsaládok evolúciója

Az ide vonatkozó vizsgálatoknál gerinces külcsoportként („outgroup”-ként), azaz viszonyítási alapként (nem túl távoli rokon, de jelentős ideje elkülönült csoportot jelent) a fejgerinchúrosokat, konkrétan a lándzsahalat (Amphioxus) választották. Az ízeltlábú (Artropoda) külcsoport a karmosak (Onychophora) volt. Az „outgroup” képviselői hasonlóak ősi elődjeikhez, megtartották ősi jellegeik döntő részét, így „eleven fosszíliák” elnevezésük egyáltalán nem túlzó, ahogy már Darwin az eleven fosszíliákról látnokian vélekedett: „aid us forming a picture of ancient forms of life”.

Génduplikációk - látványos és fontos változások

Általános genetikai/genomikai ismereteink birtokában egyáltalán nem meglepő, hogy az egyik legfőbb folyamat, amelynek szerepe volt a bilateráliák toolkitjének fejlődésében BIZONYOS GÉNEK DUPLIKÁCIÓJA ÉS DIVERGENCIÁJA

Pl. a Caenorhabditis elegans génjeinek 40%-a bír rokon génnel genomon belül????

A duplikált gének gyakran tandem módon, azaz egymás mellett helyezkednek el, ami köszönhető lehet

A duplikált génpéldányok aztán az idők során kromoszómaátrendeződéssel elválhatnak.

Tandem (egymás után) kapcsolt rokon gének célpontot jelentenek a félrepárosodás és az egyenlőtlen crossing over számára. Az egymással rokon, kapcsolt génpárok közötti szekvenciabeli hasonlóságok megkönnyítik a homológ kromoszómák közötti helytelen párosodást és a crossing over esemény egy új kiméra gént eredményez a szülői gének között. A bemutatott példa a Hox génekre emlékeztet, szürkével jelölve a konzervált homeodoméneket. A szomszédos paralóg Hox gének (piros ill. lila) közötti crossing over egy olyan kiméragént hoz létre, melynek 5' szekvenciája az egyik, a 3' szekvenciája a másik szülőtől származik, a töréspont pedig a konzervált régió szakaszára vagy annak közelébe esik. Megjegyzendő, hogy a komplexen belül jóval távolabb eső gének esetében a rossz párosítás a kiméra génen felül génduplikációhoz is vezethet. A Hox géneknek az a hajlandósága, hogy kapcsolt klaszterekben maradnak, alkalmassá teszi őket az itt bemutatott tandem expanzióra.

A nagyobb skálájú duplikációkkal alakulnak ki a nagy szintenikus blokkok, amelyek ugyanolyan sorrendű gének megtöbbszöröződött elrendeződései, akár szerte a genomban (fajok között is értelmezett természetesen).

Mint már több helyen láthattuk, tágabb értelemben egy géncsalád minden tagja „homológ”, mert szekvenciájuk hasonlít. Különböző fajok egymásnak megfelelő génjei „ortológok” (bár a homológ kifejezés ezekre is). Egy genomon belül az egy gén megkettőződésével levezethető gének paralógok.

A génduplikációs esemény eleinte két, redundáns kópia sokszor cisz- és transz regulátor elemekből - egyik elveszhet (delécióval, vagy pszeudogénné válhat)

Sok duplikált gén azért marad fenn, mert a paralógok funkcionálisan elkülönülnek,

kódoló szekvenciájuk megváltozása új fehérjefunkcióhoz vezet.

Cisz-regulátor szekvenciáik változásával a gén kifejeződésének időzítése, expressziós mintázata is gyakorta változik, ami kulcsjelentőségű lehet egy taxon evolúciójában. Az elemek modularitása lehetővé teszi az eredeti génexpressziós domén felosztását/változását 24. ábra.

Drosophila goosbery/goosbery-neuro - különböző cisz-regulátorok szabályozzák őket, előbbi szegmentpolaritási gén, utóbbi a korai idegrendszerben fontos.

A nem frissen duplikálódott gének is mutálódhatnak - a különböző vonalak ortológjai is átmennek diverzifikáción - a szekvenciák differenciációja magában azonban ritkán változtatja meg a funkciót (általában stabilizáló szelekció van a funkcióra). A fehérjefunkció is diverzifikálódhat új funkcióra való pozitív szelekciókor, vagy két fehérje koevolúciójakor.

Az utolsó szakaszban elmondottak átvezetnek minket a következő fejezethez.

A genetikai szabályozási elemek evolúciója (angolul: regulatory evolution) kétségtelenül főszerepet játszik a teljes evolúciós spektrumon megnyilvánuló morfológiai variáció kialakításában, a fajon belüli változatosságtól a testtervek közötti különbségekig. A DNS-szekvencia evolúciója és a morfológiai evolúció közötti kapcsolatot gyakorta cisz-regulátor elemek jelentik, amelyek ilyenkor az evolúciós változás egységének tekinthetők. A kísérleti megközelítés is megérett ahhoz, hogy mennyire közvetlen kapcsolat van a szabályozó DNS-szakaszok változásai, a génszabályozás evolúciója és a morfológiai diverzitás között.

A cisz-regulátor elemeknek vannak olyan sajátságaik, amelyek miatt evolúciójuk dinamikája egészen más, mint a kódoló szekvenciáké. A transzkripciós faktor-kötőhelyek a konzervált funkciójú szabályozó elemekben komoly változásokon esnek át, ami megmutatja, hogy a más mutációkat kompenzáló mutációk léte fontos sajátsága a cisz-regulátor DNS evolúciójának. Elméleti megfontolások és gyakorlati bizonyítékok szólnak amellett, hogy a cisz-regulátor elem funkciója könnyen módosulhat pontmutációkkal, amelyek létrehozhatnak, vagy megszüntethetnek transzkripciós faktor kötőhelyeket. A fajon belül is elterjedt a szabályozóhelyek variációja. Egyre erősebb bizonyítékok szólnak amellett, hogy a szabályozási elemek fajszinten tapasztalható evolúciója elégséges arra, hogy segítségével el lehessen számolni a morfológiai evolúció nagyobb skálán zajló evolúciós mintázataival, ide értve az ember eredetét is.

Sok példát lehet arra találni, hogy a génreguláció szelektált változásai a fejlődő állat egy részében, amely független más részektől, alapul szolgálnak szeriálisan homológ struktúrák (pl. rovarszelvények), evolúciós újítások és fajok közötti divergencia kialakulásához. A regulátorelemek evolúciója teszi lehetővé az állatok moduláris szerveződését, a bilaterálisan szimmetrikus törzsek diverzitásának kialakulását, és általában az új morfológiai jellegek kialakulását.

A regulációs változások fontossága a morfológiai evolúcióban régóta széleskörűen elfogadott. A regulációs változások teremtő ereje és az ehhez viszonyított viszonylag komoly korlátok, amelyek a fehérjeevolúciónál érvényesülnek már a molekuláris biológia korai időszakában sejthetőek voltak. Mára a tapasztalati tények is szépen mutatják, hogy az olyan változások a génkifejeződésben, amelyek befolyásolják a morfológiát, sokkal gyakrabban játszanak fontos szerepet a diverzitás evolúciójában, mint az új gének, vagy a fehérjék szekvenciájának funkcionális megváltozásai. Jelenlegi ismereteink a genetikai hierarchiákról, hálózatokról, és genetikai útvonalakról alkotott képünk alapján érthető, miért van így.

Hogy jobban megértsük, tekintsük át a cisz-regulátor rendszerek általános sajátságait és szerepüket az evolúcióban!

Összegezve: a cisz-regulátor elemek evolúción áteső („evolválódó”) egységek. A transzkripciós faktorok kötőhelyeinek számát és topológiai viszonyait merőben más funkcionális szempontok formálják, mint a kódoló szekvenciákat. Ezek az eltérő szabályok irányítják az új elemek megjelenését, a létező elemek változásait és evolúcióját 25. ábra, 26. ábra.

MIÉRT A SZABÁLYOZÁSI EVOLÚCIÓ A MORFOLÓGIAI EVOLÚCIÓ ELSŐDLEGES HAJTÓEREJE?