Simple Science

最先端の科学をわかりやすく解説

# 生物学# 進化生物学

進化における減数分裂の組換えの役割

減数分裂における組換えの遺伝的多様性の重要性を探る。

― 1 分で読む


減数分裂の組換えと進化減数分裂の組換えと進化する。減数分裂の組換えを通じて遺伝的変異を理解
目次

減数分裂の組換えは、似てるけど全く同じじゃない染色体がDNAの部分を交換するプロセスだよ。これは植物や動物など多くの生物の性行為生殖にとって重要なステップで、遺伝物質を混ぜ合わせて新しいアリルの組み合わせを作り出す手助けをするんだ。この新しい組み合わせは遺伝的多様性を維持するためにめっちゃ大事。もし組換えが起こらなかったら、染色体は時間とともに有害な突然変異を蓄積し続けて、最終的には絶滅につながる可能性もある。

細胞レベルでは、染色体のペアリングやクロスオーバー形成みたいな特定のステップがこのプロセス中に必須なんだ。減数分裂の組換えで何か問題が起こると、異常な数の染色体を持つ細胞になる可能性が高くなるんだよ。だから、組換えは種の繁殖能力と存続において重要な役割を果たしてるんだ。

組換え率の変動性

その重要性にもかかわらず、組換えが起こる率は近縁種間でも幅広く異なることがあるんだって。研究者たちは、温度のような環境要因と、繰り返しDNA配列の存在のようなゲノム要因が、最適な適応のために組換え率を調整する必要があるかもしれないと考えている。一方で、組換え率の変化が適応に大きな影響を与えない場合もあるって言ってる人もいる。

ハエの研究結果によれば、組換えに関与するいくつかの遺伝子は、正の選択によって急速に進化していることがわかったよ。つまり、これらの遺伝子は生物が生き残って繁殖するのを助ける方向で急速に変化してるってこと。ハエのオスには伝統的な組換えが見られない特有の特徴があって、これらの種で組換えの進化を促す力がオス特有のニーズに基づいてないことを示唆してるんだ。

シナプトネマル複合体

シナプトネマル複合体(SC)は、植物、動物、一部の菌類を含む多くの生物において減数分裂の組換えに必要な構造を形成するタンパク質のグループだよ。この構造はジッパーみたいに働いて、減数分裂の初期段階で染色体のペアを固定するんだ。SCの構成は異なる種でかなり似ていて、長い間存在してきたことを示唆してる。ただ、面白い例外もあって、いくつかの種ではSCが全く存在しないし、他の種では異なる構成があるんだ。

ハエのSCの成分は、異なる種間での配列保存が驚くほど少ないことを示してる。いくつかのタンパク質はまだSC成分として認識されるけど、彼らの遺伝子配列は期待されるほど似ていないってわけ。いくつかの成分は異なる種で全く異なる構造やコピー数を持ってるし、 SCの構造変化が減数分裂の機能に影響を与えていないこともあるんだ。

保存状態が悪く、頻繁に変化

SCの多くの成分は、短い進化の時間スケールではあまり保存されていないよ。ハエでは、SCを構成するタンパク質はよく急速に進化してる。たとえば、SCの中心部の成分に責任がある遺伝子は、種間でその配列に大きな違いを示すことが知られてる。

SC遺伝子の発現を見てみると、研究者たちは発現パターンが種間で幅広く異なることを見つけた。場合によっては、特定のSC遺伝子がオスの精巣では高い発現を示す一方で、卵巣ではそうでないことがあるんだ。これは、これらの遺伝子が通常は女性の減数分裂に関連付けられているのに、ちょっと奇妙だよね。この観察は、特にオスのハエが伝統的な減数分裂の組換えを行わないから、SC遺伝子がオスにおいてどんな役割を果たすのかについて新たな疑問を起こすんだ。

複製とその結果

SC遺伝子に関する重要な発見は、多くの遺伝子が複製を経験して、同じ種内に複数のコピーが存在することだよ。これは進化のチャンスと見なされていて、複製遺伝子は徐々に新しい役割を引き受けたり、責任を共有したりすることができる。

ハエでは、SCの中心領域成分に顕著な複製の例が見られるよ。いくつかのコピーは元の機能と似ているけど、他のはまったく新しい機能に進化するかもしれない。たとえば、染色体を一緒に固定することが期待されるタンパク質は、元の機能を失って、特にオスのハエの精巣で異なる役割を持つかもしれない。

これらの遺伝子が複製する傾向は、その進化的圧力についての疑問を引き起こすよ。時間が経つにつれて、いくつかの複製が機能を失うこともあるけど、複製とその後の喪失に関わるダイナミクスは、これらの重要な遺伝子の進化についての洞察を提供しているんだ。

SC遺伝子の発現パターン

SC遺伝子の発現は種間で大きく異なることがあるよ。しばしば、卵巣で活発だと思われる遺伝子が精巣で予想以上に高く活動することがあるんだ。この観察はSC遺伝子の機能に関する従来の見方に挑戦しているよ。たとえば、通常は女性の減数分裂に関与する遺伝子が男性でも活発で、従来の理解を超えた役割があるかもしれないってことを示唆してる。

発現のこうした変化は、SC遺伝子が新しい役割を担うかもしれない精巣内の動的な調節環境を示しているよ。この変動性は、精子形成プロセスにおける彼らの機能に関して、興味深い可能性をもたらすんだ。

組換えの進化を理解する

組換えの率が種内や種間でこれほどまでに変動する理由を理解することは重要だよ。いくつかの研究者は、環境条件や生涯歴の変化が組換え率に影響を与える可能性があるって考えてる。たとえば、環境が最適でないとき、生物は遺伝的多様性を高めるために組換え戦略を調整する必要があるかもしれない。

これらのダイナミクスにもかかわらず、組換えは種の生存と適応を確保するための重要な遺伝的メカニズムとして残ってる。SC遺伝子の進化的歴史は、常に適応する圧力にさらされていて、新しい役割や機能に進化して、生殖成功をもたらす可能性があることを示唆してるんだ。

変化のメカニズム

遺伝子複製のプロセスとそれがSC遺伝子に与える影響は、彼らの進化についての重要な洞察を提供してる。遺伝子が複製すると、新しいコピーが元のものとは異なるペースで進化する可能性があって、新しい機能が出現することがあるんだ。ただ、いくつかの複製は機能を失って擬似遺伝子になることもあって、これらの遺伝子の進化には複雑な力が働いていることを示しているよ。

いくつかの遺伝子は、複製とともにコーディング配列に大きな変化を経験することがあって、新しい機能につながることがある。SC遺伝子のケースでは、彼らの歴史は頻繁に正の選択を受けていることを示していて、生殖的適応を高める適応が進化する結果をもたらしているんだ。

精巣環境の役割

精巣環境はSC遺伝子の発現と進化において独特な役割を果たしているみたい。研究によると、精巣は長い非コーディングRNAのような多様な転写物を生成するための肥沃な土壌を提供する可能性があるんだ。これは精子発生の過程中に重要な機能を果たすかもしれない。

これらのSC遺伝子は通常女性の減数分裂に関連付けられているけど、男性の生殖系列での重要な活動は、まだ発見されていない役割があるかもしれないことを示唆してる。これが性選択、減数分裂プロセス、遺伝子機能の進化との相互作用についての疑問を生んでいるんだ。

結論

減数分裂の組換えの進化と、このプロセスに関与するタンパク質、例えばSCは、遺伝的変異、発現の変化、適応進化の間の複雑な相互作用を明らかにしているよ。これらの遺伝子は生殖適応にとって重要だけど、彼らの絶え間ない進化、複製、多様化は、環境的および内因的な様々な圧力に応じて反応する動的なシステムの一部であることを示唆しているんだ。

男性と女性の生殖系列両方でのSC遺伝子の役割は、特に男性の生殖系列における彼らの機能を明らかにするためのさらなる研究が必要だってことを強調してる。このダイナミクスを理解することで、遺伝的多様性がどのように維持され、種がどのように適応し、生き残っていくのかについての知識が深まるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Diversification and recurrent adaptation of the synaptonemal complex in Drosophila

概要: The synaptonemal complex (SC) is a protein-rich structure essential for meiotic recombination and faithful chromosome segregation. Acting like a zipper to paired chromosomes during early prophase, the complex consists of central elements bilaterally tethered by the transverse filaments to the lateral elements anchored on either side to the homologous chromosome axes. Despite being found in most major eukaryotic taxa implying a deeply conserved evolutionary origin, several components of the complex exhibit unusually high rates of sequence turnover. This is puzzlingly exemplified by the SC of Drosophila, where the central elements and transverse filaments display no identifiable homologs outside of the genus. Here, we exhaustively examine the evolutionary history of the SC in Drosophila taking a comparative phylogenomic approach with high species density to circumvent obscured homology due to rapid sequence evolution. Contrasting starkly against other genes involved in meiotic chromosome pairing, SC significantly shows elevated rates of coding evolution due to a combination of relaxed constraint and recurrent, widespread positive selection. In particular, the central element cona and transverse filament c(3)G have diversified through tandem and retro-duplications, repeatedly generating paralogs that likely have novel germline functions. In a striking case of molecular convergence, c(3)G paralogs that independently arose in distant lineages evolved under positive selection to have convergent truncations to the protein termini and elevated testes expression. Surprisingly, the expression of SC genes in the germline is exceedingly prone to change suggesting recurrent regulatory evolution which, in many species, resulted in high testes expression even though Drosophila males are achiasmic. Overall, our study recapitulates the poor conservation of SC components, and further uncovers that the lack of conservation extends to other modalities including copy number, genomic locale, and germline regulation. Considering the elevated testes expression in many Drosophila species and the common ancestor, we suggest that the function of SC genes in the male germline, while still poorly understood, may be a prime target of constant evolutionary pressures driving repeated adaptations and innovations. SummaryThe synaptonemal complex (SC) is essential for meiotic recombination and faithful chromosome segregation across eukaryotes, yet components of the SC are often poorly conserved. Here we show that across the Drosophila phylogeny several SC genes have evolved under recurrent positive selection resulting in orthologs that are barely recognizable. This is partly driven duplications repeatedly generating paralogs that may have adopted novel germline functions, often in the testes. Unexpectedly, while most SC genes are thought to be dispensable in the male germline where recombination is absent in Drosophila, elevated testes expression appears to be the norm across the genus and likely the ancestral state. The evolutionary lability of SC genes in Drosophila is likely a repeated source of adaptive innovations in the germline.

著者: Kevin HC Wei, R. Zakerzade, C.-H. Chang, K. Chatla, A. Krishnapura, S. P. Appiah, J. Zhang, R. L. Unckless, J. Blumenstiel, D. Bachtrog

最終更新: 2024-07-11 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.20.563324

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.20.563324.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

著者たちからもっと読む

類似の記事