Pleiotropijos struktūros reikšmė organizmų evoliucingumui

[Andrej S]

   Organizmai formuojasi sąveikaujant genetinei medžiagai, organizmo aplinkai bei išoriniams aplinkos veiksniams. Dažnas įsivaizduojame, kad kiekvienas genas atitinka vieną požymi organizmo fenotipe. Arba jeigu genas įtakoja keletą požymių - jis gali būti arba geras arba blogas, pagal taip kaip jis veikia organizmų išgyvenamumą. Tačiau, dažnai būna ir taip, kad tas pats geno variantas vienus požymius veikia teigiamai bet kitus neigiamai (organizmo funkcionavimo atžvilgiu). Visus tokius daugiareikšmiškumus tarp genotipų ir fenotipų, apjungia pleiotropijos koncepcija. Jeigu neegzistuotu pleiotropijos, evoliucija, veikiant natūraliajai atrankai būtu kur kas paprastesnė, nes organizmo prisitaikymas tiesiog būtu atskirų genų prisitaikymo dedamųjų suma. Tačiau, realybė yra sudėtingesnė ir pleiotropijos struktūros pobūdžio išaiškinimas turi didelę reikšmę organizmų evoliucijos (o taip pat genetikos ir medicinos) supratime.
    Šiais metai, kaip tik išėjo šiai temai skirtas apžvalginis straipsnis "Nature Reviews Genetics" žurnale (Wagner and Zhang, 2011). Straipsnyje atskleidžiama, kaip pleiotropijos tyrimai leidžia suprasti genotipo-fenotipo žemėlapių atitikimą (esant fiksuotoms aplinkos sąlygoms(?)). Paskutinis uždavinys yra viso genetikos mokslo vienas iš pagrindinių (jei ne pagrindinis) uždavinių. O kaip žinia, genetika arba paveldimumo dėsningumai yra vienas iš pagrindinių evoliucijos procesą nulemiančių veiksnių.
   Tai kodėl gi pleiotropija yra tokia svarbi? Pleiotropija sukelia skirtingų fenotipinių požymių adaptacinio proceso kompromisą, veikiant populiaciją natūraliajai atrankai, nes mutacija viename gene kuri yra naudinga vieno fenotipinio požymio atžvilgiu, gali būti žalinga kito atžvilgiu. Turint tokias pleiotropijos sąvybes galvoje, evoliucijos teoretikų buvo iškelta idėja, pavadinta "sudėtingumo kaina", kuri sako, kad kuo daugiau fenotipinių požymių turi organizmas (t.y. kuo jis sudėtingesnis), tuo didesnį kiekį požymių vienu metu veikia genų mutacijos ir tuo sunkiau tenkinti skirtingų požymių adaptacinius kompromisus (t.y. tai, kad mutacija bus naudinga visiems veikiamiems požymiams, jei ji yra atsitiktinės poveikio krypties, atvirkščiai proporcinga veikiamų požymių kiekiui). Tyrimai taip pat parodė, kad pleiotropijos efektai evoliucijos procese, gali turėti svarbų vaidmenį tokių reiškinių kaip senėjimas, rūšiadara bei kooperacija veikimui. Senėjimo atveju, pvz. buvo pateiktos idėjos, kurios sako, kad genai atsakingi už požymius, didinančius reprodukcijos tikimybę, taip pat dėl šalutinio efekto mažina organizmo gyvenimo trukmę (pvz. esant greitesniam metabolizmui, žinduolių ląstelėse gali susidaryti daugiau laisvųjų radikalų, kurie gali pažeisti jas)[Aišku, reikia prisiminti, kad pats senėjimo procesas gali būti ne (tik) šalutinis efektas bet tiesioginis hierarchinis prisitaikymas organizmo lygyje, kurio dėka kontroliuojamas jį sudarančių ląstelių santykinis prisitaikymas, - esant ribotam somatinių ląstelių pasidalijimo skaičiui (dėl senėjimo), labiau prisitaikiusios ląstelės turi tam tikrus apribojimus populiacijos dydžio didinimui, kas iš dalies gelbėja organizmą nuo vėžio.]
   Pleiotropijos teorinis supratimas vystomas jau lygiai 100 metų nuo pačio reiškinio įvardijimo. Tačiau, gausūs empiriniai tyrimai prasidėjo tiktai visai neseniai, atliekant funkcinės genomikos bei QTL (Quantitative Trait Loci) (kiekybinių požymių lokusų) kartografavimus. Šie tyrimai paneigė, apie 80 metų vyravusias prielaidas apie pleiotropijos universalumą (t.y. kad kiekvienas genas bent kažkiek veikia kiekvieną fenotipinį požymį).
   Nagrinėdami pleiotropijos reiškinį, aptariamo straipsnio autoriai visų pirma pateikia metodus, kokiu būdu mes galime pamatuoti pleiotropinius skirtingų genų poveikius, bei paaiškina, kokie kiti reiškiniai kurie nėra sukelti pleiotropijos gali turėti labai panašų efektą - Pleiotropija _ir_kiti_veiksniai.jpg. Kaip mes matome pirmame paveikslėlyje (1a), techniškai pleiotropijos efektas yra tiesiog vienos geno mutacijos poveikis daugeliui fenotipinių požymių. O pats pleiotropijos matas, tuomet būtu - požymių paveiktų mutacijos skaičius. Tačiau, kaip mini autoriai, egzistuoja kaip techniniai taip ir koncepciniai sunkumai pleiotropijos efekto išaiškinime. Techniniai sunkumai atsiranda tuomet, kai pvz. du skirtingi genai paveikia du skirtingus fenotipinius požymius, tačiau jie yra lokalizuoti šalimais vienas kito (1b) bei kai jie perduodami tarp kartų vis tose pačiose santykinėse pozicijose chromosomoje (t.y. jei tarp jų egzistuoja nepusiausvira genų sankiba (angl. linkage disequilibrium)). Koncepcinių sunkumų pavyzdys yra parodytas (1c), kai mutacijos paveikiamas cis-reguliacinis elementas, kurio veiklos pakitimas įtakoja dviejų genų atsakingų už du skirtingus požymius veikimą. Jei priimti, kad pleiotropija yra mutacijos savybė - tuomet tai būtu pleiotropijos efektas, tačiau jei priimti pleiotropiją kaip genų savybę, tuomet tai būtu artefaktas.
   Kur kas sudėtingiau suprasti pleiotropijos fenotipinę prasmę. Dauguma su tuo susijusių problemų yra koncepcinio pobūdžio. Pvz. ar kaukolės kaulai yra atskiri fenotipiniai požymiai ar jie sudaro vieno sudėtingo požymio dalis? Be to atsiranda klausimai kaip matuoti tą pleiotropiją, ar tiesiog matuojant fenotipinius efektus ir juos priimant kaip pleiotropijos išraišką, ar matuoti kitus kintamuosius bei interpretuoti juos sukurtu matematinių modelių šviesoje (pvz. pagal genetinės populiacijos apkrovos ir efektyvaus populiacijos dydžio santykius atspindinčią formulę)?
   Autoriai mini, kad vykdant genų išjungimo eksperimentus, surandami efektai matuoja atskirų genų pleiotropinius efektus bet ne pačių mutacijų (t.y. genų alelių) efektus, todėl esami matavimai yra iškreipti užaukštinant pleiotropijos efektą. Taip pat kitas reikšmingas dalykas, į kurį reikia atkreipti dėmesį - tai konkretūs skaičiai kurie sako, kiek požymių veikia tam tikro geno pokyčiai. Tokie palyginimai prasmingi tiktai tuomet, kai skirtinguose objektuose lyginami tie patys fenotipiniai požymiai, kurie yra išskirti tuo pat būdu, nes egzistuoja daugybė būdu kaip galima vieningą organizmo fenotipą padalinti į atskirus požymius.
   Susijusi problema yra pleiotropijos aptikimo limitai. Atliekant eksperimentinius tyrimus, dauguma mažo efekto pleiotropinių poveikių gali likti nepastebėta, dėl taip vadinamo "sudėtingumo prakeiksmo" (jeigu norima statistiškai patikrinti daugiamatį duomenų masyvą, bandinių skaičius turi būti daug didesnis (minimum dvigubai) nei kintamųjų (šiuo atveju požymių) skaičius). Aišku, visad galima palyginti norimo kintamojo efekto dydį, bet jis irgi apribojamas nagrinėto veiksnio. Todėl autoriai rašo, kad visiškai racionalu teigti, kad mes negalime pasakyti koks yra duotos mutacijos pleiotropinis efektas. Tačiau, visados galime įvertinti kiek požymių nerodo pleiotropinius efektus esant turimoms efekto galimybėms (t.y. jų efektai yra labai maži). Taigi, jei ir egzistuoja neaptikti efektai kitiems požymiams, jie yra kur kas mažesni nei tie kur nustatyti (šiuo metu, pleiotropiniai efektai aptinkami apie 10% tirtų požymių). Tačiau, tai yra tiktai vienas priėjimas, nagrinėjant pleiotropijos matavimo problemą. Šio priėjimo minusas yra tas, kad surasti pleiotropijos įverčiai būna priklausomi nuo leidžiamos I tipo klaidos limito (dažniausiai 5%) bei eksperimento kūrimo pobūdžio. Alternatyvus priėjimas būtu efekto dydžio pasiskirstymo visiems požymiams įvertinimas, o ne tiesiog patikimo efekto buvimo ar nebuvimo skaičiavimas, koks jis atliekamas klasikinėse studijose (apie šių dviejų statistinių metodologijų santykius, galima plačiau pasiskaityti  G-moksluose: Biometrija II: Efekto dydis...). Autoriai mini, kad šiuo metu kaip tik buvo atlikti tokie pionieriniai tyrimai. Jie parodė, kad mutacijų su didesniu pleiotropiniu efektu, efekto dydžio pasiskirstymas turi didesnį vidutinį kvadratinį nuokrypį (t.y. įvykus mutacijai daugiau genų stipriai paveikiami). Taigi, autoriai siūlo naudoti efekto dydžio pasiskirstymo, nagrinėjamiems požymiams, vidutinį kvadratinį nuokrypį kaip pleiotropijos matą.
   Tuo tarpu atliekant pačius pleiotropijos matavimus, kaip ir minėta, labai svarbus aspektas yra tai, kokiu būdu reprezentuojamas pats fenotipas. Jeigu, tarkim mes aptinkame geno mutacijos efektą šlaunikaulio bei uodegos sisteminguose pokyčiuose - Pleiotropijos _matavimai.jpg, mes galime sakyti, kad egzistuoja nagrinėjamo geno pleiotropija. Tačiau, šį požymį galima reprezentuoti ir kaip dviejų požymių sumą (kas dažnai daroma su kiekybiniais požymiais), kaip pvz. (šlaunie ilgis + uodegos ilgis). Tuomet, geno pokytis paveiktu tiktai vieną požymį ir pleiotropijos negalėtume postuluoti. Taip atsitinka tuomet, kai koordinačių ašys pasukamos nagrinėjamo efekto kryptimi (kaip ir matoma pateiktame paveikslėlyje). Analogišku būdu galima sumažinti ar padidinti požymių kiekį pasirinktinai daug arba mažai. Todėl pačių požymių apibrėžime turi būti įdėta nemažai biologinio supratimo.
   Susijusi su anksčiau minėta problema yra taip vadinama koreliuotų požymių problema. Pvz. jei mes priimame, kad paukščio snapo plotis ir aukštis yra du skirtingi požymiai, ir jei jie abu veikiami kažkokio geno pokyčio, mes tai vadiname pleiotropija. Tačiau gali būti, kad snapo plotis ir ilgi yra to pačio požymio dalinės reprezentacijos - nes jos vystosi to pačio proceso metu. Tuomet, mes matomą sinchroninį pokytį negalėtumėme vadinti pleiotropiniu. Vienas iš būdų požymių tarpusavio integracijai nustatyti - tai požymių koreliacinės matricos tikrinių vektorių palyginimas. Kuo skirtingesnės tikrinių vektorių reikšmės - tuo integruotesni (priklausomesni) požymiai. Kitas būdas, kaip galima nustatyti požymio kvazinepriklausomybę - tai mutaciniai tyrimai. Jeigu kažkokios mutacijos paveikia vieną požymį bet neveikia kito, tuomet galime tuos numanomus požymius vadinti kvazinepriklausomais.
   Paskutiniais metais atlikti pleiotropijos efekto empiriniai tyrimai, pasitelkiantys anksčiau išvardytas metodikas, atskleidė tam tikrus genotipo ir fenotipo sąveikos dėsningumus - Empiriniai _pleiotropijos _tyrimai.jpg. Priešk keliolika metu tarp genetikų ir evoliucinių biologų vyravo skirtingos nuomonės dėl pleiotropijos svarbos - vieni sakė, kad ji yra universali, tuo tarpu kiti teigė, kad ji daugumoje atveju yra nereikšminga. Morfologinių pokyčių laboratoriniai bei lauko lyginamieji tyrimai parodė, kad realybėje pleiotropija nėra nulinė, bet dažniausiai ji yra apribota nedideliu požymių skaičiumi. Pvz. atliekant bandymus su pelėmis bei po to nagrinėjant viso jų skeleto morfologiją, naudojantis geometrinės morfometrijos metodais, nustatyta, kad vidutiniškai genų mutacijos paveikia apie 8,6 % skeleto požymių. Tuo tarpu analogiški laukinių trispyglių dyglių tyrimai parodė, kad medianiškai pleiotropiškai veikiami tiktai 1,9 % požymių (maksimum 30 požymių iš 54 nagrinėtų). Tokias pat "L" formos priklausomybes genetikai surado nagrinėdami mielių ir žmonių genų ekspresiją bei mielių ir nematodų fiziologijos bei morfologinių požymių pleiotropiją (žiūrėkite prisegtą paveikslėlį).
   Kaip rašo autoriai, toks pleiotropijos laipsnio pasiskirstymas nurodo į modulinę genotipo-fenotipo žemėlapio organizaciją. Dauguma genų paveikia tiktai vieną požymi, mažesnė dalis paveikia kelis susijusius požymius (modulį) bei labai maža dalis yra globalaus poveikio - Modulines _pleiotropijos _schema.jpg. Pačios požymių modulinės prigimties priežastys nėra iki šio išaiškintos. Egzistuoja paaiškinimai kurie įtraukia į savę natūraliosios atrankos poveikį, bet kai kas aiškina modulinę struktūrą ir be natūraliosios atrankos indelio. Vienas iš tikėtiniausių variantų yra tas, kad esant modulinei struktūrai, mažinamas ir pleiotropijos neigiamas veikimas (galima prisiminti "sudėtingumo kainos" teoriją), tokiu būdu įgalindami sudėtingų organizmų efektyvią evoliuciją.
   Kitas svarbus klausimas susijęs su pleiotropija yra jos mechanistinė prigimtis. T.y. koks pleiotropiškai veikiančių genų molekulinis biologinis pagrindas? Egzistuoja du principiniai pleiotropijos tipai: I tipo pleiotropija, kai egzistuoja daugybinės molekulinės funkcijos, kurias atlieka produktas; bei II tipo pleiotropija kai yra daugybinės morfologinės ir fiziologinės reakcijos sukeltos vienos molekulinės funkcijos. Autoriai mini, kad nepaisant ilgų tyrinėjimu, ne visuomet aišku koks yra minėtų pleiotropijų tipų svarbumas realiose sistemose. Anksčiau buvo tiesiog priimama "vieno geno - vieno produkto" paradigma kurios dėka II tipo pleiotropija buvo pagal nutylėjimą priimama, kaip dominuojantis tipas. Tačiau šiuo metu yra pakankami įrodymai (pvz. alternatyvaus genų splaisingo bei daugybinių baltymų funkcinių domenų atradimas), kad taip yra toli gražu ne visuomet.
   Įdomus dalykas yra tas, kad nagrinėjant pleiotropijos poveikį mielėse, surasti gan įdomus dėsningumai. Geno pleiotropijos laipsnis atrodo, kad nepriklauso nuo produktų atliekamų molekulinių funkcijų įvairovės. Taip pat pleiotropija nepriklauso nuo baltymo funkcinių domenų skaičiaus. Tuo tarpu stipri koreliacija surasta su tuo kokiame kiekyje skirtingų ląstelės dalių panaudojami nagrinėjamo geno produktai bei tarp biologinių procesų, kur panaudojamas geno produktas skaičiaus. Tai parodo, kad bent jau mielėse vyrauja II tipo pleiotropija. Kaip yra su daugialąsčiais šiuo metu nėra aišku.
   Autoriai rašo, kad daugialąsčių sudėtingumas (jei skaičiuoti skirtingų ląstelių tipų skaičiumi) lyginant su vienaląsčiais padidėjo dvejomis eilėmis, tačiau turimų genų skaičius tiktai vidutiniškai keturis kartus. Toks neatitikimas tarp fenotipo ir genotipo, turėjo atsiliepti genų tinklų struktūroje. Daugelio papildomų funkcijų atsiradimas įvyko padidėjus genų pleiotropijai. O kodėl numanomai dominuoja II tipo pleiotropija? Manoma, kad egzistuojančius procesus yra lengviau inkorporuoti naujų funkcijų sudarymui nei per visiškai naujų produktų atsiradimą. Šie perėjimai galėjo įvykti genų ekspresijos skirtinguose audiniuose pakitimo metu, taip pat subląstelinės lokalizacijos pakeitimo metu bei vykstant nuo konteksto priklausomai ekspresijai.
   Grįžtant prie pleiotropijos evoliucinės reikšmės bei modulinės pleiotropijos struktūros, reikia paminėti ankstesnį Fišerio geometrinį modelį, kuris priima pleiotropijos universalumą. Jau buvo minėta, kad šis modelis priima, kad dauguma mutacijų turi mažą fenotipinį efektą, nes jos priimama, kad paveikia labai daug požymių. Šiame modelyje, adaptacijos greitį riboja organizmo sudėtingumas. Tačiau, kaip buvo parodyta - pleiotropija yra stipriai struktūrizuota ir apribota. O šiame modelyje, evoliucijos greitis priklauso jau ne nuo organizmo sudėtingumo bet nuo atskirų mutacijų pleiotropijos laipsnio. Be to, svarbią reikšmę turi ir tai, kad geno pleiotropijos efekto dydis (suma pokyčių per visus paveiktus požymius) didėja priklausomai nuo pleiotropijos laipsnio (t.y. paveiktų požymių kiekio) greičiau nei tą nuspėja adityvus modelis - Pleiotropijos _laipsnis _vs_efektas.jpg. T.y. kuo daugiau požymių veikia genas, tuo proporcingai daugiau jis juos paveikia, nei mažiau požymių veikiantis genas. Tokiu būdu, pleiotropijos prisitaikymo kaina turėtu didėti, jei paveikiami daug požymių veikiantys genai. Tokia priklausomybė tarp paveiktų požymių kiekio ir pleiotropijos efekto, pagal apskaičiavimus leidžia greičiau užfiksuoti naudingą mutaciją, todėl ji turi didelį prisitaikymą didinantį efektą. Dėl šių savybių, manoma realus genotipo - fenotipo žemėlapis pasižymi tarpinėmis pleiotropijos reikšmėmis, nes esant universaliai pleiotropijai bei didelio poveikio stiprioms mutacijoms, jos būtu dažnai letalios, tuo tarpu esant labai mažo dydžio mutacijoms, jos sunkiai įsivyrautu populiacijose (esant mažai pleiotropijai sunku būtu gauti didelį efektą o tai irgi apsunkintu požymio įsitvirtinimą). Pagal modeliavimo rezultatus, nustatyta, kad prisitaikymo greičiai yra maksimalūs, kai priklausomybėje T=an^b (kur T - geno pleiotropijos efektas, n - paveiktų požymių skaičius) "b" yra siaurame intervale tarp 0,56 ir 0,79 (realybėje pamatavus pas mieles šis koeficientas lygus 0,6). Šis parametras atsako į natūraliosios atrankos poveikį ir kaip galime matyti, nusako duotos rūšies evoliucingumą, kuris daugumoje apibrėžiamas genotipo-fenotipo pleiotropijos bei gali būti efektyviai maksimizuotas.
    Wagner ir Zhang savo straipsnyje rašo, kad sekantis žingsnis fenotipo-genotipo žemėlapio supratime (be tolimesnių pleiotropijos empirinių tyrimų) yra mechanizmų atsakingų už jo struktūros atsiradimą išaiškinimas.

Nuorodos į G-mokslus susijusiomis temomis:

Sudėtingumas, Evoliucija ir Sudėtingumo Evoliucija

Evoliucijos teorijos perspektyvos - "Evolution: The Extended Synthesis" ir "Evolution Since Darwin"

Ar įmanoma evoliucija be genų?

Darwinopterus modularis - Tarpinė pterozaurų grandis bei modulinėnė evoliucija [Kinijos paleontologija]

Nuorodos:

   Wagner Günter P. & Jianzhi Zhang. 2011. The pleiotropic structure of the genotype–phenotype map: the evolvability of complex organisms. Nature Reviews Genetics, 12, 204-213 pp. - Straipsnis "Nature Reviews Genetics" žurnale apie genotipo-fenotipo žemėlapio pleiotropinę struktūrą ir jos pasekmes evoliucinei dinamikai.

--
AS