Глубокая гомология
В эволюционной биологии развития концепция глубокой гомологии используется для описания случаев, когда процессы роста и дифференциации управляются генетическими механизмами, которые гомологичны и глубоко консервативны у широкого круга видов .
История [ править ]
В 1822 году французский зоолог Этьен Жоффруа Сен-Илер препарировал рака , обнаружив, что его тело устроено как у позвоночных, но перевернуто брюшком назад (дорсовентрально) : [1]
Я только что нашел, что все мягкие органы, т. е. основные органы жизни, находятся у ракообразных, а значит, и у насекомых, в том же порядке, в тех же отношениях и с тем же расположением, что и их аналоги у высших позвоночных. животные... Каково было мое удивление, и могу добавить, мое восхищение, увидев [такое] правило... [1]
Теория гомологии Жоффруа была осуждена ведущим французским зоологом того времени Жоржем Кювье , но в 1994 году было показано, что Жоффруа прав. [1] В 1915 году Сантьяго Рамон-и-Кахаль нанес на карту нейронные связи зрительных долей мухи и обнаружил, что они напоминают таковые у позвоночных. [1] В 1978 году Эдвард Б. Льюис помог основать эволюционную биологию развития , открыв, что гомеозисные гены регулируют эмбриональное развитие плодовых мух. [1]
В 1997 году термин «глубокая гомология» впервые появился в статье Нила Шубина , Клиффа Тейбина и Шона Б. Кэрролла , описывающей очевидное родство в генетических регуляторных аппаратах, что указывало на эволюционное сходство в различных особенностях животных. [2]
Отличие от обычной гомологии [ править ]
В то время как обычная гомология наблюдается в структуре таких структур, как кости конечностей млекопитающих, которые очевидно родственны, глубокая гомология может применяться к группам животных, которые имеют совершенно разную анатомию: позвоночные (с эндоскелетом, состоящим из костей и хрящей ) и членистоногие (с экзоскелетами ). сделанные из хитина ), тем не менее, имеют конечности, построенные по схожим рецептам или «алгоритмам». [2] [3] [4] [5]
У животных многоклеточных гомеозисные гены контролируют дифференцировку вдоль основных осей тела , а гены pax (особенно PAX6 ) помогают контролировать развитие глаз и других органов чувств . Глубокая гомология применима к широко разделенным группам, например, к глазам млекопитающих и совершенно различным по структуре глазам насекомых сложным . [3]
Точно так же гены hox помогают сформировать структуру сегментации животного. HoxA и HoxD, которые регулируют формирование пальцев рук и ног у мышей, контролируют развитие лучевых плавников у рыбок данио ; эти структуры до сих пор считались негомологичными. [6]
Существует возможная глубокая гомология среди животных, использующих акустическую коммуникацию, таких как певчие птицы и люди, которые могут иметь немутированные версии гена FOXP2 . [7]
В раковых стволовых клетках [ править ]
В современной биологии глубина понимания глубокой гомологии превратилась в сосредоточение внимания на молекулярных и генетических механизмах и функциях, а не на простой морфологии . Раковые стволовые клетки (РСК) представляют собой популяцию клеток внутри опухоли, которые обладают способностью самообновляться и дифференцироваться в различные типы клеток, подобно нормальным стволовым клеткам . Теория рака стволовых клеток предполагает, что существует субпопуляция клеток, называемая раковыми стволовыми клетками, которые обладают определенными характеристиками, которые делают их уникальными среди других типов клеток рака. Признаки, включенные в РСК, заключаются в том, что они неограниченно размножаются, устойчивы к химиотерапии и, как предполагается, несут ответственность за рецидив после терапии. [8]
Жизненный цикл рака [ править ]
Одноклеточный жизненный цикл рака и Entamoeba однозначно схож и, таким образом, противоречит молекулярной филостратиграфической теории происхождения рака. Эта глубокая связь между двумя клеточными системами поддерживается «моделью амебы», которая обеспечивает лучшее понимание биологии рака с эволюционной точки зрения. [9] Жизненный цикл G + S Entamoeba является ближайшим общим предком по сравнению с любым другим жизненным циклом одноклеточных организмов. Точно так же обе клеточные системы, амеба и рак , используют глубоко гомологичный генный модуль G + S, который эволюционировал от общего предка. Некоторые параллели, которые они разделяют, слишком близки для совпадения, в том числе:
- Репродуктивная бесполая зародышевая линия, способная образовывать стволовые клетки зародышевой линии (GSC, называемые при раке CSC), и линия соматических клеток без репродуктивной функции GSC;
- Зародышевые и соматические клетки , которые пролиферируют посредством асимметричных и симметричных клеточных циклов и могут взаимно превращаться при переходе из зародыша в сому (GST) и из сомы в зародыш (SGT); оба процесса при раке называются МЕТ и ЕМТ;
- чувствительные к кислороду зародышевые линии, которые необратимо теряют репродуктивную функцию из-за непоправимого повреждения ДНК, вызванного избытком кислорода;
- Механизмы восстановления повреждений ДНК (DDR) для устранения дефектов репликации и полиплоидизации ДНК и поддержания геномной целостности возникающих GSC/CSC;
- или без него Механизмы репарации DSB ДНК через структуры MGRS и PGCC, со слиянием гомологичных клеток . [9]
MGRS также известны в медицинских терминах как «ранее существовавшие полипоидные гигантские раковые клетки (PGCC)» и часто наблюдаются при нелеченых раковых заболеваниях. [ нужна ссылка ] При раке репродуктивный цикл зародышевой линии начинается с клетки-предшественника. Затем эта клетка будет полиплоидизироваться внутри клеточной оболочки. Эта зародышевая линия рака подвергается процессу развития, аналогичному зародышевой линии Entamoeba. Значительные следы глубокой гомологии можно обнаружить в стволовых клетках зародышевой линии млекопитающих. Согласно предыдущей гипотезе, зародышевая линия является общим предком линий соматических стволовых клеток. Дочерние ГСК — единственные стволовые клетки, способные передавать генетическую информацию из поколения в поколение. [9]
Алгоритм [ править ]
В 2010 году группа под руководством Эдварда Маркотта разработала алгоритм , который идентифицирует глубоко гомологичные генетические модули у одноклеточных организмов, растений и животных на основе фенотипов (таких как признаки и дефекты развития). Этот метод выравнивает фенотипы организмов на основе ортологии (типа гомологии) генов, участвующих в фенотипах. [10] [11]
См. также [ править ]
- План тела - набор морфологических особенностей, общих для представителей одного типа животных.
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Хелд, Льюис И. (февраль 2017 г.). Глубокая гомология?: сверхъестественное сходство людей и мух, обнаруженное Эво-Дево . Издательство Кембриджского университета. стр. 2–5. ISBN 978-1316601211 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Шубин, Нил; Табин, Клифф; Кэрролл, Шон (1997). «Окаменелости, гены и эволюция конечностей животных» . Природа . 388 (6643). Спрингер Природа: 639–648. Бибкод : 1997Natur.388..639S . дои : 10.1038/41710 . ПМИД 9262397 . S2CID 2913898 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Кэрролл, Шон Б. (2006). Бесконечные формы, самые красивые . Вайденфельд и Николсон. стр. 28, 66–69. ISBN 0-297-85094-6 .
- ^ Гилберт, Скотт Ф. (2000). «Гомологичные пути развития» . Биология развития (6-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-243-7 .
- ^ Хелд, Льюис И. (февраль 2017 г.). Глубокая гомология?: сверхъестественное сходство людей и мух, обнаруженное Эво-Дево . Издательство Кембриджского университета. стр. viii и далее. ISBN 978-1316601211 .
- ^ Циммер, Карл (17 августа 2016 г.). «От плавников к рукам: ученые обнаруживают глубокую эволюционную связь» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 21 октября 2016 г.
- ^ Шарфф, Петри; Констанс, Джейн (июль 2011 г.). «Эво-Дево, глубокая гомология и FoxP2: последствия для эволюции речи и языка» . Филос. Пер. Р. Сок. Б. 366 (1574): 2124–2140. дои : 10.1098/rstb.2011.0001 . ПМК 3130369 . ПМИД 21690130 .
- ^ «Кафедра биологии рака – раковые стволовые клетки» . Клиника Мэйо . Проверено 10 апреля 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Никулеску, Владимир Ф. (4 апреля 2022 г.). «Раковые гены и раковые стволовые клетки в онкогенезе: эволюционная глубокая гомология и противоречия» . Гены и болезни . 9 (5): 1234–1247. дои : 10.1016/j.gendis.2022.03.010 . ПМЦ 9293697 . ПМИД 35873035 .
- ^ Циммер, Карл (26 апреля 2010 г.). «Поиск генов ведет в неожиданные места» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ МакГэри, КЛ; Парк, Ти Джей; Вудс, Джо; Ча, HJ; Уоллингфорд, Дж. Б.; Маркотт, EM (апрель 2010 г.). «Систематическое открытие неочевидных моделей заболеваний человека с помощью ортологичных фенотипов» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 107 (14): 6544–9. Бибкод : 2010PNAS..107.6544M . дои : 10.1073/pnas.0910200107 . ПМК 2851946 . ПМИД 20308572 .