Цис-регуляторная эволюция

Как изменения в регуляторной ДНК, контролирующей гены развития, управляют эволюцией формы тела, оставляя при этом сами гены нетронутыми.

Definition

Цис-регуляторная эволюция — это эволюционное изменение некодирующих регуляторных последовательностей ДНК, таких как энхансеры, которые определяют, когда, где и насколько сильно экспрессируются гены развития, вызывая изменения формы без изменения кодируемых белков.

Scope

Эта тема охватывает роль цис-регуляторных изменений — мутаций в энхансерах и других регуляторных последовательностях — в эволюции морфологии. В ней рассматривается, почему регуляторные изменения предпочтительнее изменений в кодирующих белок последовательностях для модификации формы, модульность энхансеров и тематические исследования, в которых сдвиги в экспрессии генов, а не потеря или приобретение генов, объясняют эволюционные различия.

Core questions

• Как изменение регуляторной ДНК может изменять форму тела без изменения белков?
• Почему цис-регуляторные изменения часто предпочтительны в морфологической эволюции?
• Как модульность энхансеров обеспечивает целенаправленные эволюционные изменения?
• Какие примеры показывают, что изменения экспрессии являются движущей силой эволюционных различий?

Key concepts

• Энхансеры и цис-регуляторные модули
• Модульность регуляции генов
• Изменение экспрессии против изменения белка
• Плейотропия и ее избегание
• Приобретение и потеря активности энхансеров

Key theories

Цис-регуляторная гипотеза морфологической эволюции

Поскольку энхансеры контролируют экспрессию генов модульным, контекстно-специфическим образом, мутации в них могут изменять структуру в одной части тела, не затрагивая другие функции гена, что делает регуляторные изменения предпочтительным путем для эволюции формы.

Mechanisms

Гены развития контролируются множественными, в значительной степени независимыми энхансерами, каждый из которых регулирует экспрессию в определенной ткани или на определенной стадии. Эта модульность означает, что мутация в одном энхансере может изменить экспрессию гена в одном контексте — изменяя конкретную структуру — не затрагивая многие другие функции гена, тем самым избегая вредных побочных эффектов (плейотропии), которые вызвали бы мутации в кодирующих белок последовательностях таких генов. Таким образом, эволюция может настраивать морфологию путем приобретения, потери или модификации активности энхансеров, изменяя место и время использования консервативного гена. Документированные случаи эволюции признаков, приписываемые изменениям энхансеров, подтверждают точку зрения, что регуляторная эволюция является основным источником морфологического разнообразия.

Clinical relevance

Та же логика применима к вариациям и заболеваниям человека: мутации в регуляторной ДНК могут изменять развитие и способствовать возникновению расстройств, что делает цис-регуляторные области важными для интерпретации некодирующих генетических вариантов. Эта запись носит образовательный, а не клинический характер.

History

Поскольку гены развития были обнаружены как консервативные, внимание переключилось на регулирующую их ДНК; тематические исследования, связывающие изменения в активности энхансеров с различиями в пигментации, придатках и других признаках, утвердили цис-регуляторные изменения в качестве центральной темы эволюционной биологии развития.

Key figures

• Sean B. Carroll

Seminal works

• carroll2005
• gilbert2016

Frequently asked questions

Что такое цис-регуляторный элемент?

Это участок некодирующей ДНК, такой как энхансер, который контролирует, когда и где экспрессируется близлежащий ген.

Почему изменяется регуляция, а не сам ген?

Многие гены развития выполняют несколько функций; изменение одного из их энхансеров может изменить одну структуру, не нарушая другие функции гена, поэтому регуляторные изменения являются менее деструктивным путем к эволюции формы.