Геномные источники разнообразия как драйверы доместикации (обзор)

Автор: Глазко В.И., Косовский Г.Ю., Глазко Т.Т.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Обзоры, проблемы, итоги

Статья в выпуске: 5 т.57, 2022 года.

Бесплатный доступ

Одомашнивание растений и животных - ключевое событие в истории человеческой цивилизации, его механизмы привлекают внимание многих исследователей, особенно в последние десятилетия в связи с сокращением биоразнообразия, в том числе у сельскохозяйственных видов. По определению, предложенному Мелиндой Зедер (М.А. Zeder, 2015), доместикация - это устойчивые мутуалистические отношения в ряду поколений, в которых доместикатор влияет на воспроизводство доместицируемых, оптимизируя их образ жизни для получения интересующего его ресурса, благодаря чему доместицируемые получают преимущества перед другими особями вида. Такие взаимоотношения сопровождаются межвидовой коэволюцией, они присутствуют не только у человека и домашних видов растений и животных, но и у представителей диких видов. В качестве универсальной черты домашних видов по сравнению с близкородственными дикими рассматривается высокое фенотипическое разнообразие, на которое обращал внимание еще Чарльз Дарвин (Ч. Дарвин, 1951). При попарных геномных сравнениях домашней собаки и волка, дикой и домашней кошки, доместицированного и дикого кролика обнаруживается относительно повышенная плотность ряда мобильных генетических элементов у доместицированных животных по сравнению с дикими. В последнее время мобильные генетические элементы, или транспозоны (ТЕs), рассматриваются как основные факторы геномных преобразований, генных, геномных дупликаций, геномных и генных реконструкций, а также горизонтальных обменов генетической информацией (K.R. Oliver, W.K. Greene, 2009). Число сравнительных геномных исследований TEs у доместицированных видов невелико, и роль таких элементов в доместикации, как правило, не обсуждается. Однако можно ожидать, что в основе всех эволюционных событий, в том числе в ответ на формирование новых условий вопроизводства при доместикации, лежат универсальные механизмы изменчивости геномов. Представленный обзор систематизирует такие механизмы. Рассматриваются TEs, обеспечивающие глубокие геномные преобразования, активные и пассивные формы их взаимодействий с геномом хозяина (K.R. Oliver с соавт., 2009). Описаны примеры возникновения новых генов на основе ТЕs, такие как ген синтицина (C. Herrera-Úbeda с соавт., 2021), ген-регулятор синаптической пластичности arc (Activity Regulated Cytoskeleton Associated Protein) (C. Herrera-Úbeda с соавт., 2021), семейство генов bex , кодирующих, в частности, рецептор фактора роста нейронов (E. Navas-Pérez с соавт., 2020; R.P. Cabeen с соавт., 2022). Обсуждаются конфликтные и кооперативные взаимодействия с геномом хозяина при перемещениях ретротранспозонов, разные механизмы их влияний на профили генной экспрессии. Рассматривается участие ТЕs в формировании и изменчивости сетей геномных регуляторных элементов, в частности микроРНК. Представлены примеры вовлеченности микроРНК в контроль и формирование хозяйственно ценных признаков у доместицированных растений и животных. Накопленные данные позволяют предполагать, что ведущим источником большой фенотипической изменчивости доместицированных видов служит относительно высокая насыщенность их геномов мобильными генетическими элементами и, как следствие, увеличение изменчивости геномных регуляторных сетей при формировании общей с человеком биоэкониши.

Еще

Доместикация, геномика, изменчивость, транспозоны, регуляторные сети, микрорнк

Короткий адрес: https://sciup.org/142236358

IDR: 142236358   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2022.5.832rus

Список литературы Геномные источники разнообразия как драйверы доместикации (обзор)

  • Andersson L., Purugganan M. Molecular genetic variation of animals and plants under domestication. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2022, 119(30): e2122150119 (doi: 10.1073/pnas.2122150119).
  • Дарвин Ч. Изменения домашних животных и культурных растений. Соч. Т. 4. М.-Л., 1951.
  • Diamond J. Evolution, consequences and future of plant and animal domestication. Nature, 2002, 418(6898): 700-707 (doi: 10.1038/nature01019).
  • Zeder M.A. Core questions in domestication research. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112(11): 3191-3198 (doi: 10.1073/pnas.1501711112).
  • Denham T., Barton H., Castillo C., Crowther A., Dotte-Sarout E., Florin S.A., Pritchard J., Barron A., Zhang Y., Fuller D.Q. The domestication syndrome in vegetatively propagated field crops. Ann. Bot., 2020, 125(4): 581-597 (doi: 10.1093/aob/mcz212).
  • Burban E., Tenaillon M.I., Le Rouzic A. Gene network simulations provide testable predictions for the molecular domestication syndrome. Genetics, 2022, 220(2): iyab214 (doi: 10.1093/genet-ics/iyab214).
  • Rubio A.O., Summers K. Neural crest cell genes and the domestication syndrome: a comparative analysis of selection. PLoS ONE, 2022, 17(2): e0263830 (doi: 10.1371/journal.pone.0263830).
  • Glazko V.I., Kosovsky G.Yu., Glazko T.T. Human and domesticated species (review). Biogeosys-tem Technique, 2021, 8(1): 34-45 (doi: 10.13187/bgt.2021.1.34).
  • Glazko V., Zybailov B., Glazko T. Asking the right question about the genetic basis of domestication: what is the source of genetic diversity of domesticated species? Adv. Genet. Eng., 2015, 4: 2 (doi: 10.4172/2169-0111.1000125).
  • Shapiro J.A. Nothing in evolution makes sense except in the light of genomics: read-write genome evolution as an active biological process. Biology (Basel), 2016, 5(2): 27 (doi: 10.3390/biol-ogy5020027).
  • Shapiro J.A. Living organisms author their read-write genomes in evolution. Biology (Basel), 2017, 6(4): 42 (doi: 10.3390/biology6040042).
  • Shapiro J.A. What we have learned about evolutionary genome change in the past 7 decades. Biosystems, 2022, 215-216: 104669 (doi: 10.1016/j.biosystems.2022.104669).
  • Trono D. Transposable elements, polydactyl proteins, and the genesis of human-specific transcription networks. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 2015, 80: 281-288 (doi: 10.1101/sqb.2015.80.027573).
  • Ricci M., Peona V., Guichard E., Taccioli C., Boattini A. Transposable elements activity is positively related to rate of speciation in mammals. J. Mol. Evol., 2018, 86(5): 303-310 (doi: 10.1007/s00239-018-9847-7).
  • Rebollo R., Horard B., Hubert B., Vieira C. Jumping genes and epigenetics: towards new species. Gene, 2010, 454(1-2): 1-7 (doi: 10.1016/j.gene.2010.01.003).
  • Oliver K.R., Greene W.K. Mobile DNA and the TE-Thrust hypothesis: supporting evidence from the primates. Mobile DNA, 2011, 2: 8 (doi: 10.1186/1759-8753-2-8).
  • Oliver K.R., Greene W.K. Transposable elements: powerful facilitators of evolution. BioEssays, 2009, 31(7): 703-714 (doi: 10.1002/bies.200800219).
  • Almojil D., Bourgeois Y., Falis M., Hariyani I., Wilcox J., Boissinot S. The structural, functional and evolutionary impact of transposable elements in eukaryotes. Genes (Basel), 2021, 12(6): 918 (doi: 10.3390/genes12060918).
  • Herrera-Úbeda C., Garcia-Fernandez J. New genes born-in or invading vertebrate genomes. Front. Cell Dev. Biol., 2021, 9: 713918 (doi: 10.3389/fcell.2021.713918).
  • Navas-Pérez E., Vicente-García C., Mirra S., Burguera D., Fernandez-Castillo N., Ferrán J.L., López-Mayorga M., Alaiz-Noya M., Suárez-Pereira I., Antón-Galindo E., Ulloa F., Herrera-Úbeda C., Cuscy P., Falcón-Moya R., Rodríguez-Moreno A., D'Aniello S., Cormand B., Marfany G., Soriano E., Carriyn Á.M., Carvajal J.J., Garcia-Fernandez J. Characterization of an eutherian gene cluster generated after transposon domestication identifies Bex3 as relevant for advanced neurological functions. Genome Biol, 2020, 21(1): 267 (doi: 10.1186/s13059-020-02172-3).
  • Winter E.E., Ponting C.P. Mammalian BEX, WEX and GASP genes: coding and non-coding chimaerism sustained by gene conversion events. BMC Evol. Biol., 2005, 5: 54 (doi: 10.1186/14712148-5-54).
  • Cabeen R.P., Toga A.W., Allman J.M. Mapping frontoinsular cortex from diffusion microstructure. Cerebral Cortex, 2022: bhac237 (doi: 10.1093/cercor/bhac237).
  • Bhattacharyya M.K., Smith A.M., Ellis T.H., Hedley C., Martin C. The wrinkled-seed character of pea described by Mendel is caused by a transposon-like insertion in a gene encoding starch-branching enzyme. Cell, 1990, 60(1): 115-122 (doi: 10.1016/0092-8674(90)90721-p).
  • Hazzouri K.M., Flowers J.M., Visser H.J., Khierallah H.S.M., Rosas U., Pham G.M., Meyer R.S., Johansen C.K., Fresquez Z.A., Masmoudi K., Haider N., El Kadri N., Idaghdour Y., Malek J.A., Thirkhill D., Markhand G.S., Krueger R.R., Zaid A., Purugganan M.D. Whole genome re-sequencing of date palms yields insights into diversification of a fruit tree crop. Nat. Commun., 2015, 6: 8824 (doi: 10.1038/ncomms9824).
  • Feschotte C., Jiang N., Wessler S.R. Plant transposable elements: where genetics meets genomics. Nat. Rev. Genet., 2002, 3(5): 329-341 (doi: 10.1038/nrg793).
  • Matsumine H., Herbst M.A., Ou S.H., Wilson J.D., McPhaul M.J. Aromatase mRNA in the extragonadal tissues of chickens with the henny-feathering trait is derived from a distinctive promoter structure that contains a segment of a retroviral long terminal repeat. Functional organization of the Sebright, Leghorn, and Campine aromatase genes. J. Biol. Chem, 1991, 266(30): 19900-19907.
  • Li J., Davis B.W., Jern P., Dorshorst B.J., Siegel P.B., Andersson L. Characterization of the endogenous retrovirus insertion in CYP19A1 associated with henny feathering in chicken. Mobile DNA, 2019, 10: 38 (doi: 10.1186/s13100-019-0181-4).
  • Halabian R., Makalowski W. A map of 3' DNA transduction variants mediated by non-LTR retroelements on 3202 human genomes. Biology, 2022, 11: 1032 (doi: 10.3390/biology11071032).
  • Crow M., Suresh H., Lee J., Gillis J. Coexpression reveals conserved gene programs that co-vary with cell type across kingdoms. Nucleic Acids Research, 2022, 50(8): 4302-4314 (doi: 10.1093/nar/gkac276).
  • Nicolau M., Picault N., Moissiard G. The evolutionary volte-face of transposable elements: from harmful jumping genes to major drivers of genetic innovation. Cells, 2021, 10(11): 2952 (doi: 10.3390/cells10112952).
  • Colonna Romano N., Fanti L. Transposable elements: major players in shaping genomic and evolutionary patterns. Cells, 2022, 11(6): 1048 (doi: 10.3390/cells11061048).
  • Lu J.Y., Chang L., Li T., Wang T., Yin Y., Zhan G., Han X., Zhang K., Tao Y., Percharde M., Wang L., Peng Q., Yan P., Zhang H., Bi X., Shao W., Hong Y., Wu Z., Ma R., Wang P., Li W., Zhang J., Chang Z., Hou Y., Zhu B., Ramalho-Santos M., Li P., Xie W., Na J., Sun Y., Shen X. Homotypic clustering of L1 and B1/Alu repeats compartmentalizes the 3D genome. Cell Research, 2021, 31(6): 613-630 (doi: 10.1038/s41422-020-00466-6).
  • Ivancevic A.M., Kortschak R.D., Bertozzi T., Adelson D.L. LINEs between species: evolutionary dynamics of LINE-1 retrotransposons across the eukaryotic tree of life. Genome Biol Evol., 2016, 8(11): 3301-3322 (doi: 10.1093/gbe/evw243).
  • Percharde M., Sultana T., Ramalho-Santos M. What doesn't kill you makes you stronger: transposons as dual players in chromatin regulation and genomic variation. BioEssays, 2020, 42(4): e1900232 (doi: 10.1002/bies.201900232).
  • Falk M., Feodorova Y., Naumova N., Imakaev M., Lajoie B.R., Leonhardt H. Joffe B., Dek-ker J., Fudenberg G., Solovei I., Mirny L.A. Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei. Nature, 2019, 570(7761): 395-399 (doi: 10.1038/s41586-019-1275-3).
  • Soares S.C., Eler E.S., E Silva C.E.F., da Silva M.N.F., Araujo N.P., Svartman M., Feldberg E. LINE-1 and SINE-B1 mapping and genome diversification in Proechimys species (Rodentia: Echimyidae). Life Science Alliance, 2022, 5(6): e202101104 (doi: 10.26508/lsa.202101104).
  • Стегний В.Н. Популяционная генетика и эволюция малярийных комаров. Томск, 1991.
  • Артемов Г.Н., Стегний В.Н. Молекулярно-генетический анализ районов прикрепления хромосом к оболочке ядра трофоцитов яичников малярийных комаров Anopheles комплекса maculipennis. Вестн. Том. гос. ун-та. Биология, 2010, 2(10): 123-131.
  • Roller M., Stamper E., Villar D., Izuogu O., Martin F., Redmond A.M., Ramachanderan R., Harewood L., Odom D.T., Flicek P. LINE retrotransposons characterize mammalian tissue-specific and evolutionarily dynamic regulatory regions. Genome Biology, 2021, 22(1): 62 (doi: 10.1186/s13059-021-02260-y).
  • Percharde M., Sultana T., Ramalho-Santos M. What doesn't kill you makes you stronger: transposons as dual players in chromatin regulation and genomic variation. BioEssays, 2020, 42(4): e1900232 (doi: 10.1002/bies.201900232).
  • Chiu E.S., VandeWoude S. Endogenous retroviruses drive resistance and promotion of exogenous retroviral homologs. Annu. Rev. Anim. Biosci., 2021, 9: 225-248 (doi: 10.1146/annurev-animal-050620-101416).
  • Chong A.Y., Kojima K.K., Jurka J., Ray D.A., Smit A.F., Isberg S.R., Gongora J. Evolution and gene capture in ancient endogenous retroviruses — insights from the crocodilian genomes. Retro-virology, 2014, 11: 71 (doi: 10.1186/s12977-014-0071-2).
  • Benachenhou F., Sperber G.O., Bongcam-Rudloff E., Andersson G., Boeke J.D., Blomberg J. Conserved structure and inferred evolutionary history of long terminal repeats (LTRs). Mobile DNA, 2013, 4(1): 5 (doi: 10.1186/1759-8753-4-5).
  • Chiu E.S., Gagne R.B. A natural laboratory to elucidate the evolution of endogenous-exogenous retroviral interactions. Mol. Ecol., 2021, 30(11): 2473-2476 (doi: 10.1111/mec.15850).
  • Chiu E.S., VandeWoude S. Endogenous retroviruses drive resistance and promotion of exogenous retroviral homologs. Annu. Rev. Anim. Biosci., 2021, 9: 225-248 (doi: 10.1146/annurev-animal-050620-101416).
  • Lanciano S., Mirouze M. Transposable elements: all mobile, all different, some stress responsive, some adaptive? Opinion in Genetics and Development, 2018, 49: 106-114 (doi: 10.1016/j.gde.2018.04.002).
  • Hosaka A., Kakutani T. Transposable elements, genome evolution and transgenerational epige-netic variation. Curr. Opin. Genet. Dev., 2018, 49: 43-48 (doi: 10.1016/j.gde.2018.02.012).
  • Cho J. Transposon-derived non-coding RNAs and their function in plants. Front. Plant Sci., 2018, 9: 600 (doi: 10.3389/fpls.2018.00600).;
  • Shapiro J.A. Living organisms author their read-write genomes in evolution. Biology, 2017, 6(4): 42 (doi: 10.3390/biology6040042).
  • Hosaka A., Kakutani T. Transposable elements, genome evolution and transgenerational epige-netic variation. Curr. Opin. Genet. Dev., 2018, 49: 43-48 (doi: 10.1016/j.gde.2018.02.012).
  • Bhogireddy S., Mangrauthia S.K., Kumar R., Pandey A.K., Singh S., Jain A., Budak H., Varsh-ney R.K., Kudapa H. Regulatory non-coding RNAs: a new frontier in regulation of plant biology. Funct. Integr. Genomics, 2021, 21(3-4): 313-330 (doi: 10.1007/s10142-021-00787-8).
  • Jungers C.F., Djuranovic S. Modulation of miRISC-mediated gene silencing in eukaryotes. Front. Mol. Biosci., 2022, 9: 832916 (doi: 10.3389/fmolb.2022.832916).
  • Sadeq S., Al-Hashimi S., Cusack C.M., Werner A. Endogenous double-stranded RNA. Noncoding RNA, 2021, 7(1): 15 (doi: 10.3390/ncrna7010015).
  • Hu G., Do D.N., Davoudi P., Miar Y. Emerging roles of non-coding RNAs in the feed efficiency of livestock species. Genes (Basel), 2022, 13(2): 297 (doi: 10.3390/genes13020297).
  • Penso-Dolfin L., Moxon S., Haerty W., Di Palma F. The evolutionary dynamics of microRNAs in domestic mammals. Sci. Rep., 2018, 8(1): 17050 (doi: 10.1038/s41598-018-34243-8).
  • Braud M., Magee D.A., Park S.D., Sonstegard T.S., Waters S.M., MacHugh D.E., Spillane C. Genome-wide microRNA binding site variation between extinct wild aurochs and modern cattle identifies candidate microRNA-regulated domestication genes. Front. Genet., 2017, 8: 3 (doi: 10.3389/fgene.2017.00003).
  • Makino T., Rubin C.J., Carneiro M., Axelsson E., Andersson L., Webster M.T. Elevated proportions of deleterious genetic variation in domestic animals and plants. Genome Biol. Evol., 2018, 10(1): 276-290 (doi: 10.1093/gbe/evy004).
  • Startek M., Szafranski P., Gambin T., Campbell I.M., Hixson P., Shaw C.A., Stankiewicz P., Gambin A.. Genome-wide analyses of LINE-LINE-mediated nonallelic homologous recombination. Nucleic Acids Research, 2015, 43(4): 2188-2198 (doi: 10.1093/nar/gku1394).
  • Wang G.D., Shao X.J., Bai B., Wang J., Wang X., Cao X., Liu Y.H., Wang X., Yin T.T., Zhang S.J., Lu Y., Wang Z., Wang L., Zhao W., Zhang B., Ruan J., Zhang Y.P. Structural variation during dog domestication: insights from grey wolf and dhole genomes. National Science Review, 2019, 6(1): 110-122 (doi: 10.1093/nsr/nwy076).
  • Yang N., Zhao B., Chen Y., D'Alessandro E., Chen C., Ji T., Wu X., Song C. Distinct re-trotransposon evolution profile in the genome of rabbit (Oryctolagus cuniculus). Genome Biol. Evol, 2021, 13(8): evab168 (doi: 10.1093/gbe/evab168).
  • Ngo M.H., Arnal M., Sumi R., Kawasaki J., Miyake A., Grant C.K., Otoi T., Fernández de Luco D., Nishigaki K. Tracking the fate of endogenous retrovirus segregation in wild and domestic cats. J. Virol., 2019, 93(24): e01324-19 (doi: 10.1128/JVI.01324-19).
  • Глазко В.И. Генные и геномные подписи доместикации. Сельскохозяйственная биология, 2018, 53(4): 659-672 (doi: 10.15389/agrobiology.2018.4.659rus).
  • Glazko V., Zybailov B., Glazko T. Asking the right question about the genetic basis of domestication: what is the source of genetic diversity of domesticated species? Adv. Genet. Eng., 2015, 4: 2 (doi: 10.4172/2169-0111.1000125).
Еще
Статья обзорная