1800년대 중반에 집에서 수천 마일 떨어진 증기가 자욱한 아마존 열대 우림에 있던 영국의 박물학자 헨리 월터 베이츠(Henry Walter Bates)에게는 문제가 있었습니다. 하나 이상, 정말; 엄지손가락만한 무는 곤충, 항상 존재하는 말라리아의 위협, 독사, 그리고 영국으로 다시 운송되기 전에 그의 귀중한 표본을 따라잡을 위협이 되는 곰팡이와 곰팡이가 있었습니다. 그러나 그를 괴롭히는 잔소리하는 과학적 문제는 나비와 관련된 것이었습니다.

Bates는 일부 밝은 색상의 헬리코니우스 숲의 나비는 다른 나비들처럼 날아다니지 않았습니다. 그들은 더 천천히 움직였다. 그가 그것들을 포착하고 임시 현미경으로 조사했을 때, 그는 그것들이 실제로는 아니라는 것을 발견했습니다. 헬리코니우스 전혀 관련이 없는 나비과의 놀라운 닮은꼴입니다.

Bates의 발견이 영국의 과학적 인식에 도달했을 때, Charles Darwin의 당시 새로운 자연 선택 제안은 이러한 훌륭한 모방이 발생한 이유를 설명할 수 있었습니다. 새와 다른 포식자들은 피한다 헬리코니우스 나비는 독성이 있고 쓴 맛이 나기 때문입니다. 모방품은 독성이 없었지만 역겨운 맛과 매우 흡사했기 때문에 헬리코니우스, 그들은 먹을 가능성이 적습니다. 유사성이 가까울수록 보호가 더 강력합니다.

Bates와 이후의 많은 진화생물학자들이 설명할 수 없었던 것은 이러한 모방이 어떻게 가능했는지였습니다. 날개의 올바른 위치에 아쿠아마린과 불타는 오렌지색의 적절한 음영을 얻으려면 정확하게 조정된 유전자 집합이 필요했습니다. 그러한 특성은 대대로 완벽하게 충실하게 상속되어야 헬리코니우스 위장하다. 어쩌면 진짜 헬리코니우스 나비의 독소가 포식자에게 미래에 멀리 떨어져 있으라고 가르칠 수 있기 때문에 나비는 채색에서 약간 벗어날 수 있지만 모방은 일관되게 완벽한 복제본이어야 했습니다. 그러나 유성 생식에서 특성을 무작위로 재편성하고 재혼합하면 필수 착색 패턴이 빠르게 붕괴되어야 합니다.

오늘날 우리는 많은 종에서 그 해답이 초유전자(supergenes)라는 것을 알고 있습니다. 즉, 여러 유전자를 하나의 상속 가능한 단위로 묶는 DNA의 스트레치입니다. "그들은 일종의 와일드 카드입니다."라고 말했습니다. 마르테 소델란드, 노르웨이 아그데르 대학의 분자 생태학자. 이러한 종합적인 형태의 상속은 "빠른 적응을 가능하게 하기 때문에 분명한 이점이 있지만, 아직 우리가 모르는 것이 많습니다."

초유전자는 한때 진화론적으로 기이한 것처럼 보였지만 유전자 염기서열 분석의 등장으로 연구자들이 생각하는 것보다 훨씬 더 일반적이라는 사실이 밝혀졌습니다. 모든 초유전자가 기능을 수행하는 것은 아니지만 지난 몇 년 동안의 연구를 통해 광범위한 동물 및 식물 종의 특성이 단일 유전자처럼 기능하는 이러한 유전자 그룹에 의해 주도될 수 있음이 밝혀졌습니다. 슈퍼유전자 야생 해바라기를 도와주세요 사구, 해안 평야 및 장벽 섬과 같은 다양한 환경에 적응합니다. 다른 과의 식물에서는 미묘하지만 중요한 성기의 변이 근친 교배를 방지하는 데 도움이되는 다산. 지난 봄에 발표된 연구에 따르면 일부 불개미 종에서는 초유전자가 어떤 유형의 불개미를 결정합니다. 사회 조직이 우세하다 — 식민지에 번식 여왕이 하나 또는 여러 개 있는지, 또는 더 많은 수컷 또는 암컷을 생산하는지 여부. (인간의 특정 초유전자는 확인되지 않았지만 유력한 후보자 발견되었습니다.)

슈퍼유전자는 또한 종들이 때때로 새로운 환경에 빠르게 적응할 수 있는 방법, 개체군이 함께 생활하는 동안에도 때때로 다른 방향으로 진화할 수 있는 방법, 일부 종에 "균형된 치명적인 시스템이 있는 이유"와 같은 오랜 진화의 신비에 대한 설명을 담고 있는 것 같습니다. 생존하려면 두 가지 다른 버전의 염색체가 있어야 합니다.

그러나 슈퍼유전자는 만능이 아니다. 초유전자의 진화에 대한 최근 연구는 그 효과에 대한 미묘한 그림을 그리고 있습니다. 실제 인구에 대한 이러한 이론적 모델과 연구는 초유전자가 종종 해로운 돌연변이를 축적하다 다른 DNA 조각보다 훨씬 더 빠르게 진행되며, 이는 점진적으로 원래의 이점을 약화시키는 퇴행성 효과로 이어질 수 있습니다.

유전자 세탁물 분리

초유전자의 정의는 다소 기술적이며 과학자들은 개념이 1930년대부터 존재했음에도 불구하고 여전히 그 세부 사항에 대해 논쟁하고 있습니다. 그러나 가장 단순한 수준에서 다음과 같이 말합니다. 사이먼 마틴Edinburgh 대학의 진화 생물학자인 슈퍼유전자는 종종 다른 많은 비암호화 DNA와 함께 하나의 단위로 유전되는 유전자 그룹입니다.

Martin은 "여러 유전자를 사용하여 두 가지 별개의 형질을 계속 생성할 수 있으며 이들이 뒤죽박죽되는 것에 대해 걱정하지 않아도 됩니다."라고 말했습니다.

그 뒤섞임은 종종 난자 세포와 정자 생산 중에 발생합니다. 그 과정에서 염색체의 모계와 부계 사본이 정렬되어 재조합이라는 발레에서 DNA 조각을 무작위로 교환합니다. 재조합은 유전자의 다른 순열의 가치에 대한 자연의 위험을 헤지합니다. 유전적 다양성을 높이고 유해한 돌연변이를 제거하는 데 도움이 됩니다.

초유전자의 초능력은 이것을 차단한다는 것입니다. 일반적으로 초유전자는 DNA 결실, 삽입 또는 역전(잘라내고 뒤로 스플라이싱된 서열)을 포함합니다. 결과적으로 염색체 DNA의 해당 부분은 파트너와 정렬되지 않고 재결합할 가능성이 훨씬 적습니다.

1970년대에 연구자들은 염색체의 오정렬이 염색체 단편의 재조합을 차단하고 유전자를 계속 잃어버리는 동일한 메커니즘이 포유동물의 X 염색체에서 Y 성염색체의 진화를 유도한다는 것을 보여주었습니다. 성염색체는 본질적으로 미친듯이 움직이는 슈퍼유전자입니다. 슈퍼유전자와 성염색체 둘 다 존재하는 이유는 일부 유전자 세트를 함께 상속하는 것이 때때로 이점이 있기 때문입니다. 데보라 찰스워스, 성염색체 연구를 개척하고 최근에 에든버러 대학에서 은퇴한 진화 유전학자 중 한 명입니다. 그런 경우에는 “재결합은 하지 않고 잘 어울리는 것들은 영원히 뭉쳐지는 것이 이상적”이라고 그녀는 말했다.

그것이 유리한 이유를 이해하려면 빨래를 하는 것에 대해 생각해 보십시오. 엠마 베르단, 스웨덴 예테보리 대학의 진화생물학자. 흰 수건 바구니와 빨간 수건 바구니가 있다고 가정해 보겠습니다. 재결합은 두 부하를 같은 드럼에 넣고 뜨거운 물을 틀고 시작을 누르는 것과 같습니다. 결과는 분홍색 수건 다발입니다. 그러나 진화론적으로 동등한 분홍색 수건은 종종 문제가 되지 않는다고 Berdan은 말합니다.

하지만 때로는 유전적 세탁물을 분리해 두는 것이 생명에 도움이 됩니다. 베이츠에게 헬리코니우스 나비 모방, 다른 유전자의 색상 스플래시가 혼합되어 있으면 재앙이 될 수 있습니다. 나비는 다음과 같이 충분히 보일 때만 모방의 보상을 거둡니다. 헬리코니우스 포식자를 속이기 위해.

그렇기 때문에 많은 연구자들이 초유전자가 어떻게 발생하고 초유전자가 계속 진화함에 따라 종의 결과가 무엇인지 조사해 왔습니다. 슈퍼유전자의 기원을 이해하는 것은 "가장 어려운 질문 중 하나"라고 말했습니다. 탄자 슬롯 , 식물의 초유전자를 연구하는 스톡홀름 대학의 진화 유전학자. "그리고 그것이 항상 가능하다는 것은 주어진 것이 아닙니다."

최근 한 가지 노력으로, 케이티 로테로스노스이스턴 대학의 진화 해양 생물학자는 역전에서 초유전자로의 경로에서 취한 첫 잠정적 단계를 연구하기 위해 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그녀의 모델, 왕립 학회 B의 철학적 인 거래 XNUMX월에 슈퍼유전자에 관한 특별호의 일부로 초기 DNA 플립플롭이 클수록 슈퍼유전자가 진화할 가능성이 더 높다는 것을 보여주었습니다. 그 이유는 간단했습니다. DNA의 더 큰 거꾸로 된 조각이 여러 유전자를 포착하여 단일 개체로 함께 묶을 가능성이 더 큽니다. 역전 내에서 발생하는 유익한 돌연변이는 초유전자로서의 확산을 촉진할 수 있습니다.

그러나 Lotterhos의 모델에서 더 중요한 통찰력은 역전 자체가 반드시 진화론적 이점을 제공하지는 않는다는 것입니다. 유전자 세트가 이미 주변 환경에 잘 적응되어 있다면, 그것을 역전으로 가두어도 갑자기 초유전자로 도약하는 것을 허용하지 않습니다. 그 사실은 복잡한 필수 형질이 초유전자로서 일상적으로 확보되지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 보통의 선택 압력은 종종 형질을 보존하기에 충분합니다.

적응이 반전에 선행하는지 아니면 그 반대인지에 대한 질문은 결코 대답할 수 없을 수도 있다는 것을 Lotterhos는 깨달았습니다. "역전과 적응 중 무엇이 먼저입니까?" 그녀가 말했다. “아마도 둘 다 약간일 것입니다.”

슈퍼유전자의 비용

초유전자는 적응 형질의 유전에 있어 강력한 이점을 제공하지만 대가를 치르게 됩니다.

Berdan의 세탁 비유를 다시 생각해 보십시오. 빨간색과 흰색 수건을 한 번에 세탁하면 두 린넨 세트 간의 색상 차이가 사라집니다. 그러나 분홍색 수건을 찢거나 더러우면 백업으로 사용할 수 있는 동일한 분홍색 수건이 있습니다. 염색체의 한 복사본이 유전자를 파괴하는 해로운 돌연변이를 선택하면 작동하는 백업 복사본이 유기체의 생존을 돕기 위해 일치하는 염색체에 있을 가능성이 높습니다. 그리고 재조합은 돌연변이가 다른 유전자와 독립적으로 유전된다는 것을 보장하기 때문에 자연 선택은 시간이 지남에 따라 돌연변이를 제거할 수 있습니다.

그러나 초유전자의 경우에는 그렇지 않습니다. 그들은 거의 재결합하지 않기 때문에 그들이 획득한 유해한 돌연변이는 제자리에 머무르는 경향이 있습니다. 따라서 초유전자의 이점은 상당한 단점을 동반할 수 있습니다. 예를 들어 베르단과 벤자민 비엘스트라 라이덴 생물학 연구소(Institute of Biology Leiden)의 연구에 따르면 도롱뇽(crested newt)이라고 불리는 도롱뇽이 낳는 알의 절반이 모든 돌연변이 하나의 슈퍼유전자에 축적된 것입니다. 그들의 초유전자는 번식 성공을 억제하는 것처럼 보입니다.

Supergenes는 또한 짝짓기 과정을 복잡하게 만들 수 있습니다. 일부 종에서 초유전자는 사실상 XNUMX개의 성별을 갖는 번식 시스템을 만듭니다. 예를 들어, 흰목 참새라고 하는 북미 새의 초유전자 때문에 다른 색과 행동을 가진 두 가지 "변형"이 있습니다. 수컷은 암컷을 찾아야 할 뿐만 아니라 반대 모프에서 파트너를 찾아야 합니다. 그렇지 않으면 자손은 부모 모두로부터 초유전자를 물려받거나 아무 것도 물려받지 못하여 죽을 것입니다. 하나의 초유전자와 염색체의 하나의 일반 세그먼트의 "균형 잡힌 치명적인" 유전을 받은 병아리만 살아남습니다.

그렇게 비싼 가격으로 슈퍼유전자가 진화했다는 것은 놀라운 일이라고 Berdan은 말합니다. 그녀는 “변종 세트는 특히 수백만 세대에 걸쳐 유지 관리하기가 정말 어려울 것”이라고 말했습니다. "그것은 초유전자의 가장 큰 미스터리 중 하나입니다." 그녀는 초유전자를 보존하기 위해 여러 유형의 선택이 함께 작동할 수 있으며 특정 환경이 개체군에서 지속성에 가장 도움이 될 수 있다고 제안했습니다.

아이러니하게도, 때때로 초유전자를 보존할 수 있는 메커니즘 중 하나는 재조합인 것 같습니다. 즉, 일반적으로 저항하는 현상입니다. 아만다 라라쿠엔테, 로체스터 대학의 진화 유전학자와 그녀의 공동 저자들은 그러한 사례를 설명했습니다. 지난 XNUMX 월 in eLife.

Larracuente는 처음에 초유전자나 진화 비용에 관심이 없었습니다. 그녀의 초점은 이기적인 유전자, 즉 숙주에게 이익이 되지 않고 집단에서 증식하는 DNA 부분이었습니다. 그녀는 이기적인 유전자에 매료되어 분리 왜곡기 (SD) 잠비아의 특정 초파리에서 발생하여 자손의 성비를 왜곡합니다. 그녀는 "정자 살해자"라고 설명했지만 염색체를 가지고 있지 않은 정자만 죽인다. SD.

지난 3,000년 동안 언젠가 한 버전의 SD 염색체 DNA의 큰 조각을 엮어 다음으로 알려진 초유전자를 생성합니다. SD말 아프리카 전역의 초파리 개체군에 퍼졌습니다. "그것은 정말 궁극적인 이기적인 유전자입니다."라고 Larracuent는 말했습니다.

Larracuente의 DNA 시퀀싱 및 분석, 데이븐 프레그레이브 그리고 그들의 동료들은 염색체가 SD말 거의 완전한 재조합 결핍에 의해 예측된 것처럼 유해한 돌연변이를 축적합니다. SD말 그리고 그것의 자매 염색체. 그러나 연구자들은 예상만큼 많은 돌연변이를 찾지 못했습니다.

그 이유는 때때로 파리가 SD말 — 그리고 그 두 슈퍼유전자는 그들 사이에 약간의 재조합을 허용할 만큼 충분히 유사합니다. 그 재조합은 시간이 지남에 따라 파리의 초유전자에서 몇 가지 해로운 돌연변이를 제거하는 것을 가능하게 합니다.

Larracuente는 "결과적으로 약간의 재조합이면 충분합니다. 그녀와 Presgraves는 이제 다른 사람을 찾고 있습니다. SD 더 일반적으로 초유전자의 진화와 영향에 대한 단서를 찾기 위해 야생 초파리 개체군의 초유전자.

그들의 결과는 게놈에 대한 재조합의 정화 효과가 결코 중요하지 않다는 것을 보여줍니다. 안정적이고 예측 가능한 초유전자의 유전이 가능하게 하는 복잡한 특성은 종의 적응을 돕는 데 매우 중요할 수 있지만 초유전자조차도 때때로 상황을 혼합함으로써 이점을 얻을 수 있습니다.