Skip to main content
Global

6.1: סוגי בחירה: התחלה - יצירת מוטציות

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    207500

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מוטציות ובחירה

    האבולוציה ברמה הגנטית מתחילה במוטציות המייצרות גרסאות גנטיות. ניתן לבחור גרסאות בעד או נגד אם הן משפיעות על הכושר ובכך גדלות או יורדות בתדירות באוכלוסייה. אם אין בחירה בגרסה, אנו אומרים שהיא "ניטרלית". במקרה זה, הוא נתון להיסחפות גנטית ויגדל או יקטן בתדירות רק במקרה. רוב המוטציות בבעלי חיים נמצאות באזורים בין-גניים, אך חלקן יתרחשו באופן טבעי בגנים. בדרך כלל אנו חושבים על המוטציות הגניות הללו כעל אלו הסבירות ביותר להיראות על ידי בחירה. אם אנו מסתכלים על תקופות ארוכות של זמן אבולוציוני, סביר להניח שלא נראה מוטציות רבות המפחיתות את הכושר מכיוון שיש לסלק אותן על ידי ברירה טבעית או מינית. במקום זאת, אנו מצפים לראות מוטציות שהן:

    1. ניטרלי (אין השפעה על הכושר)
    2. כמעט ניטרלי (השפעה מועטה מאוד על הכושר)
    3. נאגר (בלתי נראה עקב השפעות אפיסטטיות) או
    4. חיובי (השפעה חיובית על כושר)

    כאשר אנו משווים רצפים של גנים הומולוגיים (גנים המגיעים מאותו גן אבות משותף) נוכל להריץ ניתוחים כדי לומר לנו אם הרצף נמצא בבחירה "חיובית" או "מטהרת". לגנים תחת סלקציה מטהרת היו מוטציות "מטוהרות". במקרה זה, יש רצף אחד "הטוב ביותר" ולרוב המינים בטקסון יהיו רצפים דומים מאוד של הגן הזה. כאשר מתעוררות מוטציות בגן, הפרטים הנושאים את המוטציות נוטים להוריד את הכושר ולא יפיקו צאצאים רבים הנושאים את המוטציות הללו. בהשוואת רצפי המינים הקשורים למרחקים אנו רואים פחות הבדלים ממה שהיינו מצפים לראות במקרה (או סחף גנטי ניטרלי).

    גנים תחת ברירה חיובית מראים את ההפך - יותר הבדלים ברצף הגנטי בטקסון ממה שהיינו מצפים לראות במקרה. לגן שנבחר באופן חיובי הייתה היסטוריה של מוטציות שהעניקו לאנשים כושר גבוה יותר. מוטציות אלו היו שונות בשושלות שונות, והולידו מינים עם קבוצות שונות של מוטציות שנבחרו באופן חיובי. לסיכום, אם רוב המוטציות בגן יהפכו אותו לפחות תפקודי ויגרמו להשפעה שלילית על הכושר, אנו עשויים לצפות לראות סלקציה מטהרת על הגן הזה (כלומר, רוב המוטציות יבוטלו על ידי הברירה הטבעית, איור 1). אבל אם יש מוטציות ספציפיות שמתפקדות טוב יותר במערכות אקולוגיות שונות, אנו עשויים לצפות לראות ברירה חיובית בגן זה (כלומר מוטציות שונות ינצחו בסביבות שונות).

    selection.png
    איור 1: בחירה חיובית לעומת טיהור. מוטציה המשפיעה על תפקוד הגן (כלומר לא ניטרלי) יכולה לשנות את הצורה והתפקוד של המוצר (כאן המוצר הוא חלבון, אבל זה יכול להיות גם RNA) או את דפוס הביטוי של המוצר. אם שינוי זה בתפקוד או בביטוי מגביר את הכושר האורגניזמי, אנו מצפים שתדירות האלל תגדל עם הזמן (בחירה חיובית). אם המוטציה מפחיתה את הכושר האורגניזמי, אנו מצפים שתדירות האלל החדש תפחת עם הזמן (בחירה מטהרת). קובץ svg הניתן לעריכה של נתון זה זמין בכתובת https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/29/

    כדי לברר אם גן נמצא בבחירה חיובית או מטהרת, אנו משווים את רצף הגנים בין אורגניזמים. אם למין או לשושלת אחת יש שינויים תפקודיים רבים בגן בהשוואה לקרוביו, אנו אומרים שהגן נמצא בבחירה חיובית. אם יש מעט מאוד שינויים תפקודיים בין מינים קרובים רחוקים, אנו אומרים שהגן נמצא בבחירה מטהרת. תחת בחירה מטהרת גרסאות גנים חדשות (אללים) נוטות להפחית את הכושר. זה יכול להיות בגלל שהגן כבר נמצא בכושר שיא או בגלל שהגן משפיע על תהליכים מרובים (פליאוטרופיה).

    ניתן להעריך את "קצב הרקע" של המוטציה לאורך זמן אבולוציוני על ידי הצטברות של מוטציות ניטרליות (או כמעט ניטרליות). אלה מוטציות שלא אמורות לשנות את תפקוד הגן. המקום הקל ביותר לחפש אותם הם שינויים נרדפים ברצף ה- DNA. שינויים נרדפים הם מוטציות ב- DNA המקודד לחלבון שאינן משפיעות על רצף החלבונים. אלה נמצאים לעתים קרובות בקודון השלישי. שינויים לא נרדפים יכולים להשפיע על התפקוד על ידי שינוי רצף החלבונים מכיוון ששינויים נרדפים אינם משפיעים על תפקוד החלבון, אנו יכולים להשתמש בהם כדי להעריך את קצב הסחף הנייטרלי.

    בדוגמה המוצגת, משווים רצפי עכברים, בני אדם וחלזונות באזור קידוד חלבון. רצף DNA זהה לכל המינים מוצג באדום. השוואות זוגיות הסופרות את מספר המוטציות הגורמות לשינוי חומצת אמינו (NS עבור לא -שם נרדף) מושוות למספר המוטציות שאינן גורמות לשינוי חומצת אמינו (S עבור שם נרדף). כאשר מספר השינויים ב- S גבוה ממספר השינויים ב- NS, סביר להניח שהגן נמצא בבחירה מטהרת. כלומר, מספר השינויים התפקודיים נמוך בהרבה ממספר השינויים הנייטרליים. כאשר מספר השינויים ב- S נמוך ממספר השינויים ב- NS, סביר להניח שהגן נמצא בבחירה חיובית.

    מיקום מוטציה בגן

    בסעיף לעיל, סיווגנו מוטציות לפי השפעתן על הפנוטיפ. אנו יכולים גם לסווג מוטציות לפי מיקומן בתוך גן. יכולות להיות מוטציות באזור מקודד או מוטציות באזור cis-רגולטורי (יכולות להיות גם מוטציות באזור "זבל" אבל אנחנו לא צריכים לשקול אותן כאן).

    Cis-מוטציות רגולטוריות יכולות לשנות את דפוס הביטוי של גן ולגרום לאובדן ביטוי, ביטוי מופחת, ביטוי מוגבר או ביטוי חוץ רחמי (ביטוי במקום חדש ו/או בזמן חדש). אם הגן שעבר מוטציה הוא גן רגולטורי עצמו, זה יכול להשפיע גם במורד הזרם על ביטוי מטרותיו. בסך הכל, cis-מוטציות רגולטוריות יכולות לשנות את "טביעת האצבע הסלולרית", שהיא חבילת הגנים המתבטאת בתא מסוים המעניק לתא זה את זהותו ותפקודו. זה יכול לשנות את האופן שבו תא "מתנהג", הן מבחינת האנטומיה והפיזיולוגיה שלו, כמו גם את האופן שבו הוא מתקשר עם התאים סביבו, ואולי אפילו לשנות את גורלם באמצעות איתות תא תא.

    מוטציות באזורי קידוד יכולות לשנות את המבנה והתפקוד של חלבון או RNA. שינויים אלה יכולים להיות מבניים לחלוטין בכך שהם משפיעים על האנטומיה התאית, הפיזיולוגיה ו/או איתות התא. לדוגמה, מוטציה בחלבון התפקודי מיוגלובין יכולה לשנות עד כמה תא שריר אוגר חמצן. מצד שני, מוטציה בקולטן מסלול Wnt Frizzled יכולה לשנות אם תא מגיב לאיתות Wnt. המוטציה Frizzled אינה רק מבנית מכיוון שהיא עשויה להשפיע גם על ביטוי גן המטרה, להפעיל או לכבות מטרות של מסלול Wnt בדפוס חדש.

    יצירת מוטציות

    דרך שלישית לסווג מוטציות היא על ידי בחינת השפעתן הפיזית על הגנום - האם אירוע המוטציה מחק חלק גדול מהגנום? האם זה הפך נוקלאוטיד אחד למשנהו? שלושת סוגי המוטציה העיקריים שנשקול הם:

    1. מוטציות נקודתיות: המרת זוג נוקלאוטידים אחד למשנהו
    2. אינדלים: הוספות ומחיקות המוסיפות או מסירות נוקלאוטידים מהגנום. אלה יכולים להיגרם על ידי טרנספוזונים, החלקה במהלך שכפול או אנזימים לתיקון DNA.
    3. כפילויות: זהו סוג מסוים של מוטציית החדרה המחדירה פיסת רצף גנטי קיים לתוך לוקוס חדש מבלי להסיר אותו מהמקום המקורי.

    מבין שלושת אלה, כפילויות והוספות יכולות להוסיף מורכבות גנומית. כאן אני מגדיר מורכבות כמספר החלקים הייחודיים במערכת. המורכבות הגנומית תגדל אם נוסיף מידע גנטי חדש. נראה פשוט לדמיין מקרה שבו עלייה במורכבות הגנומית תגרום לעלייה במורכבות האורגניזם. לדוגמא, אנו מוסיפים גן נוסף לעיכול עמילוז ואנחנו מגדילים את כמות התבואה שאנו יכולים לאכול - מגוונים את התזונה שלנו והופכים אותה למורכבת יותר. עם זאת, אנו יכולים גם להגביר את המורכבות הגנומית מבלי להגביר את המורכבות האורגניזמית ואף נוכל להגביר את המורכבות האורגניזמית מבלי להגביר את המורכבות הגנומית.