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自私遗传元素及应用

来源:plos作者:J. Arvid Ågren , Andrew G. Clark

自私遗传元素,又称为自私基因、自私DNA、寄生DNA,是以牺牲基因组中的其他基因来增强自身传播的基因片段,不管这对有机体有没有负面影响。

传统上,基因组被视为衔接单元,基因共同作用以提高机体的适应性。

然而,当基因对自己的传播有一些控制时,规则就会改变,因此就像所有社会群体一样,基因组很容易受到自身部分自私行为的影响。

历史

1928,俄罗斯遗传学家Sergey Gershenson发现了果蝇暗X染色体。他指出,由此产生的偏向雌性的性别比例可能导致种群灭绝。

在1950年代早期,Barbara McClintock发表了一系列论文,描述了转座因子的存在,这些因子现在被认为是最成功的自私遗传因子之一。她因此获得1983年的诺贝尔医学奖。

当前观点

1988年,John H.Werren和他的同事们创造了“自私基因元素”selfish genetic element这个术语。

虽然它们在进化中的作用一直备受争议,但在最近的一次回顾中,威廉·R·赖斯得出结论:“除了基因组冲突之外,遗传学中没有任何意义。”

Gregory D.D. Hurst和John H. Werren提出了自私遗传因素的两条“规则”。

规则1:自私遗传因素的传播需要性和远系繁殖。

与异交性基因组相比,高自交或无性繁殖的基因组在自私遗传因素和宿主基因组的其余部分之间的冲突要少。

这有几个原因。首先,性和异交将自私遗传元素引入新的遗传谱系中。

相比之下,在高度自交或无性血统中,任何自私遗传因素本质上都停留在那个血统中,这增加个体之间的适应性变化。

增加的变异应导致自交者/无性者更强的纯化选择,因为没有自私遗传因素的血统将战胜具有自私遗传因素的血统。

第二,在自交者中增加的纯合性消除了同源等位基因间竞争的机会。

第三,理论已经表明,与异交基因组相比,在某些情况下,自交中更大的连锁不平衡,可能导致选择降低的转座率。

这种推理可以预测无性/自交个体应该有较少的自私遗传元素。

自交的进化与有效种群数量的减少有关,这是一个警告。

规则2:在杂种中,常常可以发现自私遗传元素的存在

自私遗传元素很难在自然种群中检测到。相反,它们的表型结果往往在杂交中变得明显。

第一个原因是,一些自私遗传因素迅速蔓延到固定,因此表型效应不会在群体中分离。然而,杂交事件将产生具有和不具有自私遗传元素的后代,从而显示它们的存在。

第二个原因是,宿主基因组已经进化出抑制自私遗传元素活性的机制,例如小RNA对转座元素进行沉默处理。

自私遗传元素的实例

偏分离Segregation distorters

一些自私遗传元素操纵遗传传递过程,以获得自身的优势,因此最终在配子中被过度表达(图1)。

20181120A.PNG

图一.  偏分离(红色表示)传递到超过50%的配子。


这种扭曲可以以不同的方式发生,包含所有这些的术语是偏分离。

有些元素在减数分裂过程中优先在卵细胞中传播,而不是在极体中传播,只有前者受精并传播给下一代。

任何能够控制卵细胞、而不是极体几率的基因都具有传播优势,而且在种群中频率会增加。

偏分离可以通过多种方式发生。当这一过程发生在减数分裂时,它被称为减数分裂驱动。

在雄性配子形成过程中,存在多种形式的偏分离,其中精子在精子成熟或精子发生过程中具有不同的死亡率。

黑腹果蝇中的分离扭曲因子(SD)是最好的研究实例,它涉及核膜蛋白Ran-GAP和X-linked重复序列称为应答器RSP,其中Ran-GAP的SD等位基因仅在同源染色体上的Rsp敏感等位基因存在下,有利于其自身的传播。SD在减数分裂过程中起到杀死RSP敏感精子的作用(因此严格说来不是减数分裂驱动)。

当偏分离作用于性染色体时,它们可以让性别比倾斜。例如,果蝇的SR系统位于X染色体上,XSR/Y雄性只产生女儿,而雌性则经历正常的减数分裂,配子按Mendelian比例。

归巢核酸内切酶

Homing endonucleases

与偏分离密切相关的现象是归巢核酸内切酶。这些酶以序列特异性的方式切割DNA,这些切割,通常是双链断裂,然后通过常规的DNA修复机制被“治愈”。

20181120B.PNG

图二.

转座元素Transposable elements


转座元素TE包括各种各样的DNA序列,它们都具有迁移到宿主基因组中的新位置的能力。转座子通过直接切割和粘贴机制来实现这一点,而反转录转座子需要产生一个RNA中间体来移动。

TE被称为自私的遗传元素,因为它们对自己在基因组中的繁殖有一些控制。大多数随机插入基因组看起来是相对无害的,但它们可以破坏关键的基因功能,并带来毁灭性的后果。

例如,TEs与多种人类疾病有关,从癌症到血友病。倾向逃避被干扰的TE会在基因组中留存更长的时间,因此我们更容易在无害的位置找到它们。

植物和动物宿主都已进化了减少TE对适应性影响的方法,包括直接使它们沉默以及降低它们在基因组中的转座能力。

20181120C1.jpg图三.

B染色体

B染色体是指除了正常的A染色体组以外还存在的、生物体的生存力或繁殖力不需要的染色体。

它们存在于群体中并积累,它们有能力独立于A染色体、传播它们自己的遗传。

(图4)。它们在同一物种个体之间的拷贝数常常不同。

20181120D1.jpg

图4。遗传冲突经常发生,因为不是所有的基因都以同样的方式遗传。

例子包括细胞质雄性不育(见自私线粒体)。虽然线粒体和叶绿体基因通常是母体遗传的,但B染色体可以优先通过雄性和雌性传递。

自私线粒体Selfish mitochondria

基因组冲突经常出现,因为不是所有的基因都以相同的方式遗传。最好的例子可能是单亲遗传的线粒体和双亲遗传的核基因之间的冲突。

线粒体和核基因之间的冲突在花卉植物中特别容易研究。

自私线粒体基因和核代偿等位基因之间的共同进化常常可以通过杂交来自不同物种的个体来检测,不同物种的个体具有不同的雄性不育基因和核恢复基因的组合,导致杂种失配。

母体遗传线粒体基因组的另一个后果是所谓的“母体诅咒”。因为线粒体基因组中的基因是严格母体遗传的,所以对女性有益的突变可以在群体中传播,即使对男性有害。

基因组印记Genomic imprinting

基因组所面临的另一种冲突是在母亲和父亲之间争夺后代基因表达的控制,包括一个亲本等位基因的完全沉默。

由于配子的甲基化状态的差异,母体和父本基因组存在固有的不对称性,其可用于驱动不同亲本来源基因表达。

绿胡子Greenbeards

绿胡子基因是一种基因,它具有识别另一个个体中自身拷贝的能力,然后使其载体优先对这些个体采取行动。

具有绿胡子等位基因的个体优先帮助绿胡子个体。

有几个例子涉及这个概念,包括酵母、粘菌类和火蚁。


自私遗传因素对宿主的影响

物种灭绝

当自私基因因素不受限制地存在时,自然选择过程并不总是具有作为唯一驱动力的有机体适应性。在这种情况下,自私元素在原则上会导致物种灭绝。

特别地,如果一个自私元素能够指导精子的生产,这样在Y染色体上携带该元素的雄性将产生过量的Y染色体精子,那么在没有任何反补偿力的情况下,这将最终导致Y染色体走向固定型。

在人口中,产生极为偏向男性的性别比例。在生态上受到挑战的物种中,这种偏向的性别比例意味着资源向后代的转换变得非常低效,以至于面临灭绝的危险。

物种形成

自私遗传元素已被证明在物种形成中起作用。

自私遗传元素的存在可以导致形态和或生活史的变化。

自私遗传元素诱发的杂交发育不良的显著例子是果蝇中的P元素。

基因组大小变异

有两种自私遗传因素尤其对基因组大小变异有贡献:B染色体和转座因子。

转座因子对基因组的贡献在植物中已经被很好地研究,例如拟南芥、挪威云杉。

自私遗传元素在农业和生物技术中的应用

植物育种中的细胞质雄性不育

植物育种者遇到的一个普遍问题是不需要自体受精。当育种家试图跨越两个不同的菌株来创造一个新的杂交菌株时,这尤其重要。

避免自体受精的一种方法是人工去雄,即物理去除花药,以使个体不育。细胞质雄性不育提供了一种替代这种费力劳动的方法。

噬菌体载体

虽然许多转座元素似乎对宿主没有好处,但一些转座因子已经被分子生物学家“驯服”,使得元素可以在科学家的意愿下插入和切除。

这些元素对于进行基因操作特别有用,比如将外源DNA插入各种生物体的基因组中。

其中一个极好的例子是PiggyBac,它是一种转座元素,能够利用“剪切和粘贴”机制在克隆载体和染色体之间有效地移动。

CRISPR基因驱动与归巢核酸内切酶系统

CRISPR允许构建人工归巢核酸内切酶,其中构建体产生切割目标基因的引导RNA,以及同源侧翼序列,然后允许插入包含Cas9基因和引导RNA的相同构建体。


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参考文献

Selfish genetic elements

J. Arvid Ågren , Andrew G. Clark


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