A duplicated Hedgehog ligand and a duplicated Patched receptor show different constraint and genomic context in land snails and slugs
Diese Studie zeigt auf, dass in Landschnecken und Nacktschnecken duplizierte Hedgehog-Ligand- und Patched-Rezeptorgene unterschiedliche evolutionäre Trajektorien aufweisen, wobei die Hedgehog-Kopien eine relaxierte Selektion und eine schnelle Divergenz in einer spezifischen Domäne durchlaufen, während die Patched-Kopien stark konserviert und syntenisch bleiben, was verdeutlicht, dass proteombasierte Inventare die Anzahl der Genkopien unterschätzen können.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In den Zellen fast jedes Tieres, von Fruchtfliegen bis hin zu Menschen, läuft eine kurze, aber lebenswichtige Kommunikationsleitung, die als Hedgehog-Signalweg bekannt ist. Stellen Sie sich dies als einen einfachen dreiteiligen Schalter vor, der dem wachsenden Gewebe sagt, wie es sich anordnen soll. Ein Boterproteine, der Hedgehog-Ligand, reist zu einem Rezeptor auf einer benachbarten Zelle namens Patched. Wenn der Bote ankommt, entsperrt er den Rezeptor, welcher dann aufhört, das dritte Protein namens Smoothened zu blockieren, wodurch ein Signal an den Zellkern gelangen kann, um die Entwicklung zu steuern. Da dieses System darauf angewiesen ist, dass jeder Teil in präzisen Mengen zusammenarbeitet, haben sich Wissenschaftler lange gefragt, was passiert, wenn die genetischen Anweisungen für diese Teile versehentlich kopiert werden. Behält die Zelle beide Kopien oder verwirft sie eine? Und wenn sie beide behält, funktionieren sie dann weiterhin exakt gleich oder driften sie auseinander?
In einer neuen Studie wandten Forscher ihre Aufmerksamkeit auf Landschnecken und Nacktschnecken, um diesen Prozess in Aktion zu beobachten. Diese Kreaturen sind besonders interessant, da ihre Evolutionsgeschichte ein massives Ereignis beinhalten könnte, bei dem ihr gesamter Chromosomensatz dupliziert wurde, was ihnen effektiv den doppelten Genetsatz gab. Wenn dies geschah, hätten die Schnecken zwei Kopien jedes Gens im Hedgehog-Signalweg. Die Frage war, ob sich diese zusätzlichen Kopien wie Zwillinge verhalten würden, die identisch bleiben und gebunden sind, oder ob sie unterschiedliche Wege einschlugen, wobei eine sich schnell verändert, während die andere gleich bleibt.
Die Forscher untersuchten die genetischen Baupläne von elf verschiedenen Arten von Landschnecken und Nacktschnecken. Sie fanden heraus, dass die Geschichte für den Rezeptor, Patched, eine Geschichte der Stabilität war. Beide Kopien des Patched-Gens blieben in jeder Spezies erhalten, und beide Kopien standen unter strengem evolutionären Druck, genau so zu bleiben, wie sie waren. Sie hatten sich im Laufe der Zeit nicht viel verändert. Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler, als sie die physische Lage dieser Gene auf den Chromosomen betrachteten, dass die beiden Patched-Kopien auf einem Paar Chromosomen saßen, die eindeutig miteinander verwandt waren, wie zwei Seiten aus demselben Buch. Auch die umliegende Nachbarschaft der Gene auf diesen Chromosomen war weitgehend erhalten geblieben, was darauf hindeutet, dass diese Kopien das Ergebnis eines groß angelegten Duplikationsereignisses waren, das die lokale genetische Landschaft intakt hielt.
Der Hedgehog-Bote erzählte eine ganz andere Geschichte. Wie der Rezeptor behielten auch die Schnecken zwei Kopien des Hedgehog-Gens. Diese zwei Kopien waren jedoch nicht gleich. Eine Kopie blieb unter strenger Kontrolle und evolvierte langsam, genau wie die Patched-Gene. Die andere Kopie hingegen durfte sich verändern. Sie häufte Mutationen viel schneller an, wobei ihr genetischer Code mit einer Rate, die fast doppelt so hoch ist wie die seines Partners, vom Original abwich. Diese schneller evolvierende Kopie hatte zudem eine kürzere Struktur, mit weniger nicht-kodierender DNA zwischen ihren funktionellen Teilen. Als die Forscher genau auf die Proteinstruktur blickten, sahen sie, dass die Veränderungen nicht zufällig waren; sie konzentrierten sich auf eine spezifische Region am Ende des Proteins, was darauf hindeutete, dass dieser Teil des Moleküls frei war, mit neuen Formen zu experimentieren, während der Rest des Systems stabil blieb.
Vielleicht am überraschendsten war, dass die physische Lage dieser beiden Hedgehog-Kopien nicht die gleiche klare Beziehung aufzeigte wie die der Patches-Kopien. Obwohl die beiden Hedgehog-Gene immer noch auf Chromosomen zu finden waren, die Anzeichen einer Verwandtschaft zeigten, war die Verbindung viel schwächer. Die umliegenden Gene hatten sich so stark verändert und verschoben, dass die ursprüngliche Nachbarschaft weitgehend verschwunden war. Dies deutet darauf hin, dass, obwohl die beiden Hedgehog-Kopien ursprünglich auf denselben duplizierten Chromosomen wie die Patched-Kopien begonnen haben könnten, das Gebiet um das Hedgehog-Gen eine viel schnellere und chaotischere Geschichte der Veränderung durchlaufen hat, die die klare Karte, die um die Patched-Gene noch sichtbar ist, ausgelöscht hat.
Die Studie deckte auch ein verborgenes Problem bei der Art und Weise auf, wie Wissenschaftler Gene zählen. Als die Forscher die Rohdaten der Gene direkt überprüften, fanden sie heraus, dass bisherige Computerprogramme in mehreren Arten Gene übersehen oder einzelne Gene in zwei künstliche Gene aufgeteilt hatten. Beispielsweise wurde angenommen, eine Spezies besitze nur eine Kopie eines Gens namens Gli, doch ein tieferer Blick auf die DNA enthüllte eine zweite, teilweise defekte Kopie, die der Computer übersehen hatte. Eine andere Spezies schien gar kein Hedgehog-Gen in ihrer Proteinliste zu haben, doch die DNA zeigte zwei vollständige Kopien. Diese Fehler verdeutlichen, dass es nicht ausreicht, einfach nur Proteine zu zählen; man muss den rohen genetischen Code betrachten, um das vollständige Bild zu sehen.
Die Ergebnisse zeichnen ein klares Bild davon, wie die Evolution mit zusätzlichem genetischem Material umgeht. Selbst innerhalb derselben kleinen Gruppe von Genen, die zusammenarbeiten, können verschiedene Teile völlig unterschiedlichen Regeln folgen. Der Rezeptor blieb fest und unverändert, der Bote spaltete sich in eine stabile Version und eine, die frei zur Veränderung war, und das Transducer-Protein blieb in jeder untersuchten Spezies eine einzelne Kopie. Dies zeigt, dass das Schicksal eines duplizierten Gens nicht durch das Duplikationsereignis selbst entschieden wird, sondern durch die spezifische Rolle, die das Gen in der Zelle spielt. Einige Teile des Systems sind zu wichtig, um ein Risiko bei Veränderungen einzugehen, während andere die Freiheit erhalten, zu evolvieren und neue Möglichkeiten zu erkunden.
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