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# 生物学# 進化生物学

果虫の遺伝子発現のバリエーション

この研究は、遺伝子発現が組織や種によってどのように変わるかを明らかにしている。

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ショウジョウバエの遺伝子発ショウジョウバエの遺伝子発現に関する洞察用を明らかにした。研究が、組織間の遺伝子発現の複雑な相互作
目次

遺伝子発現ってのは、遺伝子がどうやって生物のさまざまな細胞や組織でオンオフされるかってことなんだ。このプロセスは個体や種によって結構違うんだよね。この違いを理解するのは、体の大きさや病気への感受性みたいな特性に影響を与えるからめっちゃ大事なんだ。研究者たちは、遺伝子発現が時間とともにどう変わるのか、そしてこのプロセスが自然界の多様性にどう寄与しているのかを特に知りたいと思ってるんだ。

DNAのレベルでは、変異が遺伝子発現に影響を与える主な方法が2つあるんだ:隣接する調節要素が結びついた遺伝子に影響を与える(シス調節変異として知られてる)や、物理的に繋がってない遺伝子を調節する要素(トランス調節変異)を通じて。これらの変異がどう機能するかを研究することで、科学者たちは遺伝的特性やそれがどう進化するのかについてもっと知りたいと思ってる。研究の一つの方法として、さまざまなフルーツフライの系統の遺伝子発現を比べることがあるんだ、特にそのハイブリッドの子供たちをね。

組織の重要性

遺伝子発現の研究は、異なる組織がどのようにコミュニケーションを取り、一緒に機能するかを理解することも含まれてる。生物の組織は独立して行動するわけじゃなくて、重要な方法で相互作用してるんだ。例えば、フルーツフライでは、中腸や後腸、特定の排出器官が一緒になって消化や廃棄物の除去を管理してる。これらの体の部分は、内部のバランスを保ち、環境に応じて反応するために機能を調整する必要があるんだ。

以前の研究は主に個々の組織や親しい関係のある集団に焦点を当ててきたから、機能的に繋がった組織間で遺伝子発現がどう違うのかはまだまだ未知のことが多いんだ。このギャップを埋めるために、研究者たちは異なるフルーツフライの系統から特定の組織を分析して、自然の遺伝的変異が遺伝子発現やその組織内の微生物コミュニティにどう影響するかを見てるんだ。

方法論

この研究では、スウェーデンやザンビアなど、さまざまな場所からのフルーツフライの系統を調査したんだ。特に中腸、後腸、マルピギの管、これは哺乳類の腸や腎臓に似てる部分ね。さらに、これらの組織からRNAを配列解析して遺伝子発現を分析したんだ。

チームは、スウェーデンとザンビアのフルーツフライの系統の間でハイブリッドを作って、遺伝子発現が遺伝的背景によってどう影響されるかを調べた。さまざまな組織の遺伝子発現レベルを評価して、系統やハイブリッド間で結果を比較したんだ。

遺伝子発現の発見

遺伝子発現データを分析したとき、研究者たちは発現の違いが組織のタイプに大きく関連していることを発見した。異なるように発現した遺伝子は、親系統やハイブリッドの子供たちの発現がどう異なるかに基づいて識別・分類できた。多くの遺伝子では、同じ組織内では発現がより似ていて、異なる遺伝的背景ではそうじゃないことが示されて、組織のタイプが遺伝子発現の強い予測因子であることがわかった。

研究者たちは、多くの遺伝子が組織特異的な発現パターンを示しているのを観察した。つまり、同じ遺伝子が中腸ではより活発に働いて、後腸や他の組織ではそうじゃないこともあるってこと。こういった発見は、異なる体の部分での遺伝子調節の複雑さを強調してる。

遺伝の方式

遺伝子発現が親から子へどう受け継がれるかを研究する際、研究者たちは遺伝子を発現パターンに基づいて分類したんだ。一部の遺伝子は片方の親からの優性発現を示し、他の遺伝子は加算的または中間的なパターンを持ってた。研究では、遺伝の方式は組織のタイプとフルーツフライの遺伝的背景の両方によって異なることが示された。

例えば、特定の背景では、ある遺伝子が中腸で他の組織に比べて優位性を示すことがあった。これは、組織の文脈が遺伝の理解において重要だってことを示してる。これは、近縁の組織でも遺伝子発現の遺伝に関してはかなり違う振る舞いをする可能性があるってことだね。

調節の変異

研究者たちが遺伝子発現の調節変異を調べる中で、シス効果とトランス効果の顕著な違いを見つけた。シス効果は物理的に近い遺伝子に影響を与える傾向があるが、トランス効果はDNA鎖上のより遠くの遺伝子に影響を与えることがある。今回の研究では、トランス調節効果がシス効果よりも個々の組織に特有であることが多いことがわかった。

さらに、これらの調節タイプが遺伝子発現に与える影響は系統によって異なってた。研究者たちは、一部の系統が他の系統には見られないユニークな調節パターンを持ってるのに気づいて、遺伝子発現を研究する際には遺伝的背景を考慮することの重要性を強調してる。

マイクロバイオームの相互作用

この研究のもう一つの側面は、腸内マイクロバイオーム、つまり消化管内に存在する細菌の集まりの調査だった。腸内マイクロバイオームの構成は遺伝子の発現に影響を与えることがあり、その逆もまた然りなんだ。この研究では、中腸と後腸の間で腸内細菌の構成が大きく異なり、異なる系統のフルーツフライがこれらの地域に見られる細菌のタイプに影響を及ぼしてることがわかった。

研究者たちはまた、フルーツフライの遺伝的背景が彼らの腸内マイクロバイオームの構成に影響を与えることを発見した。この結果は、宿主の遺伝子と腸内マイクロバイームの構成との関係が複雑で、遺伝的背景が微生物コミュニティの多様性に寄与していることを示唆してる。

結論

この研究は、生物のさまざまな組織における遺伝子発現、調節メカニズム、マイクロバイオームの相互作用の複雑な関係を明らかにしてる。発見は、遺伝子発現が遺伝的背景だけでなく、機能的に繋がった組織間でも異なる可能性があることを強調してる。この研究は、こういった違いを理解することが生物が環境にどう適応するのかを理解するためには重要だってことを示してる。

さらに、結果は遺伝的背景と組織のタイプが遺伝子発現や微生物コミュニティに大きな影響を与えることを示してる。これは、進化的遺伝学や調節変化を調査する際にこれらの要素を考慮する必要があることを強調してる。遺伝子発現が異なる文脈でどう変わるのかを調べることで、研究者たちは生命の多様性を形作るメカニズムについて貴重な洞察を得ることができる。

全体的に、この研究は遺伝子調節とそれが生物の進化や適応に与える影響についての理解に重要な貢献をしてるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Pervasive tissue-, genetic background-, and allele-specific gene expression effects in Drosophila melanogaster

概要: The pervasiveness of gene expression variation and its contribution to phenotypic variation and evolution is well known. This gene expression variation is context dependent, with differences in regulatory architecture often associated with intrinsic and environmental factors, and is modulated by regulatory elements that can act in cis (linked) or in trans (unlinked) relative to the genes they affect. So far, little is known about how this genetic variation affects the evolution of regulatory architecture among closely related tissues during population divergence. To address this question, we analyzed gene expression in the midgut, hindgut, and Malpighian tubule as well as microbiome composition in the two gut tissues in four Drosophila melanogaster strains and their F1 hybrids from two divergent populations: one from the derived, European range and one from the ancestral, African range. In both the transcriptome and microbiome data, we detected extensive tissue- and genetic background-specific effects, including effects of genetic background on overall tissue specificity. Tissue-specific effects were typically stronger than genetic background-specific effects, although the two gut tissues were not more similar to each other than to the Malpighian tubules. An examination of allele specific expression revealed that, while both cis and trans effects were more tissue-specific in genes expressed differentially between populations than genes with conserved expression, trans effects were more tissue-specific than cis effects. Despite there being highly variable regulatory architecture, this observation was robust across tissues and genetic backgrounds, suggesting that the expression of trans variation can be spatially fine-tuned as well as or better than cis variation during population divergence and yielding new insights into cis and trans regulatory evolution. Author SummaryGenetic variants regulating gene expression can act in cis (linked) or in trans (unlinked) relative to the genes they affect and are thought to be important during adaptation because they can spatially and temporally fine-tune gene expression. In this study, we used the fruit fly Drosophila melanogaster to compare gene expression between inbred parental strains and their offspring in order to characterize the basis of gene expression regulation and inheritance. We examined gene expression in three tissues (midgut, hindgut, and Malpighian tubule) and four genetic backgrounds stemming from Europe and the ancestral range in Africa. Additionally, we characterized the bacterial community composition in the two gut tissues. We detected extensive tissue- and genetic background-specific effects on gene expression and bacterial community composition, although tissue-specific effects were typically stronger than genetic background effects. Genes with cis and trans regulatory effects were more tissue-specific than genes with conserved expression, while those with trans effects were more tissue-specific than those with cis effects. These results suggest that the expression of trans variation can be spatially fine-tuned as well as (or better than) cis variation as populations diverge from one another. Our study yields novel insight into the genetic basis of gene regulatory evolution.

著者: Amanda Glaser-Schmitt, M. Lemoine, M. Kaltenpoth, J. Parsch

最終更新: 2024-04-20 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.16.589694

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.16.589694.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。

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