Forskjeller mellom sjimpanse- og menneskelig - DNA
Innledning: Vi hører ofte at det er 98-99% likhet mellom sjimpanse og menneskelig DNA. Men en Science-artikkel (2007) viser at situasjonen var mye mer kompleks. OM vi sml. hele genom, er forskjellen mye større! Det er fForskjeller i 35 mill. basepar. Det finnes 5 mill. insettinger, og 689 ekstra gener.( 6,4 % forskjeller). Richard Buggs fant 16% forskjeller (84,3% likhet, der de kunne settes opp nukleotider under hverandre. Han så både på ikke-(protein) kodende og kodende DNA.
Undersøkelsen varierer mellom 84--96% Hva er rett måte å sette det opp på? Sjimpanse genomene er ofte blitt 'menneskeliggjort'! Men de må settes opp, ut fra seg selv! Det kommer an på hva en sammenligner, gener, sekvens-koder, protein-kodende eller ikke, nukleotider etc.
Forskjeller mellom sjimpanser og mennesker - bevis mot felles avstamning. Oversatt herfra: {Kursiv og/eller understreking ved oversetter}
Mennesker har 46 kromosomer (23 par), mens sjimpanser har 48 (24 par). Det humane kromosom nr. 2 ser ut til å ha dannet seg som et resultat av fusjon av to forfedres kromosomer, i likhet med sjimpansenes kromosomer 2a og 2b.
Kompleksitet av fusjon
Fusjonen av to kromosomer til ett (som antas med humant kromosom 2) er en sjelden hendelse. De spesifikke mekanismene og forholdene som kreves for å tillate en slik fusjon, og deretter for at det smeltede kromosomet blir fiksert i en populasjon, er ikke helt forstått. Denne sjeldenhet er bevis mot felles avstamning, da det vil kreve at denne betydelige hendelsen skulle skje i en isolert populasjon av den felles stamfaren, uten at egenskapen blir utvannet eller tapt.
Funksjonelle forskjeller
Fusjonen av to kromosomer fører til signifikante funksjonelle forskjeller mellom de resulterende artene. Hvis de to artene stammet fra en felles stamfar, ville en så dyp kromosomal forskjell gjøre interavl og produsere fruktbare avkom utfordrende eller umulig. Kromosomer huser store mengder genetisk informasjon, og ordningen med denne informasjonen er avgjørende for at organismen fungerer riktig. Fusjonen av to kromosomer betyr en omorganisering av gener, regulatoriske elementer og ikke-kodende sekvenser. Denne omorganiseringen kan føre til variasjoner i genuttrykk, potensielle endringer i regulatoriske nettverk, eller til og med opprettelsen av nye gener eller regulatoriske elementer på fusjonsstedet. For arter med forskjellige kromosomtall, kan meiose - prosessen som produserer egg og sæd - bli problematisk. Når disse artene avler, kan avkommet deres ende opp med et uvanlig antall kromosomer. Dette kan føre til feil i ytterligere celledelinger, noe som ofte resulterer i redusert fruktbarhet eller sterilitet i hybridavkommet. For eksempel har muldyr, avkom til hester (64 kromosomer) og esler (62 kromosomer), vanligvis 63 kromosomer og er sterile.
Bilde 1. Sammenstilling av kromosom 2 hos menneske-sjimpanse
Hvis en populasjon med et fusjonert kromosom skulle dukke opp, kan det oppleve redusert suksess i avl med den opprinnelige befolkningen, på grunn av kromosomale forskjeller. Over tid kan disse reproduktive barrierer akselerere spesierings-prosessen, ettersom de to populasjonene blir mer genetisk isolert fra hverandre. Det smeltede kromosomet, hvis det resulterer i endret genuttrykk eller funksjonalitet, kan gi spesifikke fordeler eller ulemper til individer som bærer det. Hvis fusjonen gir en betydelig fordel i et gitt miljø, kan den bli utbredt i en befolkning over tid. Motsatt, hvis fusjonen er ugunstig, kan den bli selektert mot og avta i befolkningen. De signifikante genetiske forskjellene som oppstår fra kromosomale fusjoner kan bety at evolusjonspresset og stiene for populasjoner, med og uten fusjonen, avviker betydelig. Over tid kan de akkumulerte genetiske forskjellene kombineres seg, noe som fører til enda mer distinkte arter. Den dype kromosomale forskjellen som er forårsaket av en fusjonshendelse er en betydelig barriere for fortsatt delt evolusjon, og støtter ideen om en distinkt opprinnelse til mennesker og sjimpanser.
Bilde 2. Kromosomantall hos ulike pattedyrarter
Sammenlignende sjeldenhet
De fleste arter beholder sine kromosomale tall. Når kromosomale forandringer oppstår, fører de ofte til betydelige reproduksjonsbarrierer. Forskjellen mellom mennesker som har 46 og sjimpanser som har 48 kromosomer, er bevis på en grunnleggende distinkt genetisk opprinnelse, gitt sjeldenhetene til slike kromosomale forskjeller i nært beslektede arter. At de fleste arter opprettholder konsistente kromosomale tall over tid, understreker viktigheten av disse strukturene. Kromosomer huser genetiske instruksjoner for enhver funksjon av en organisme. Endringer i antall eller struktur gir betydelige ringvirkninger, og påvirker alt fra individuell utvikling til reproduktiv suksess. Endringer i kromosomantall eller struktur fører til flere, sammenkoblede konsekvenser gjennom en organismes biologi. Kromosomale avvik påvirker riktig vekst og utvikling av en organisme. For eksempel har mennesker med Downs syndrom en ekstra kopi av kromosom 21, noe som resulterer i forskjellige utviklingsmessige og fysiologiske utfordringer. Forskjeller i kromosomtall kan skape hindringer for reproduksjon. Når kromosomale forandringer oppstår, kan de innføre reproduktive komplikasjoner. I tilfeller der to arter med forskjellige kromosomtall parer seg, kan avkommet arve et atypisk kromosomtall. Disse uregelmessighetene kan hindre avkommets evne til å produsere sine egne levedyktige gameter, og i det vesentlige skape en barriere for videreavl.
Denne reproduktive isolasjonen kan være en betydelig faktor i spesierings-prosessen. Den kromosomale forskjellen mellom mennesker og sjimpanser er ikke en mindre variasjon - det er et avvik på to hele kromosomer. I sammenheng med nært beslektede arter antyder en slik variasjon en betydelig genetisk divergens. Når vi vurderer hvor sjelden det er for nær beslektede arter å ha slike kromosomale forskjeller, blir forskjellen mellom mennesker og sjimpanser enda mer uttalt. Hvis det oppsto en kromosomal endring i en forfedres populasjon, ville den sannsynligvis sette den gruppen på en markant annen evolusjonsvei. Det nye kromosomnummeret kan føre med seg unike utfordringer og muligheter, og påvirke alt fra reproduktive strategier til tilpasningspotensialer. Over tid vil disse forskjellige trykkene føre til akkumulering av andre genetiske forskjeller, og ytterligere skille de to gruppene. Gitt sjeldenhetene og betydningen av kromosomale antall variasjoner blant nært beslektede arter, er avviket mellom mennesker og sjimpanser støttende bevis for fundamentalt distinkt genetisk opprinnelse. Hvis de to artene faktisk delte en nylig felles stamfar, kan vi forvente mer kromosomal enhetlighet mellom dem, som det er observert i mange andre nært beslektede arter.
Genomiske endringer
Begge artene har hatt mange endringer i genomene sine, for eksempel omorganiseringer, tilsetninger eller slettinger av DNA -segmenter. Tenk på disse som "redigeringer" til deres genetiske bok, der noen avsnitt eller kapitler er endret, lagt til eller fjernet. Genomene til arter kan tenkes på som intrikate manuskripter. Som med enhver lang, kompleks bok, er det nødt til å bli revisjoner - noen ganger endres setninger, avsnitt lagt til eller fjernet, eller hele kapitler omskrevet. Disse "redigeringene" kommer i form av genetiske mutasjoner, omorganiseringer, tillegg eller sletting av DNA -segmenter. Både mennesker og sjimpanser har gjennomgått en rekke "redigeringer" i sine genetiske manuskripter. Selv om noen av disse endringene kan deles, er mange unike for hver art. Tenk på disse som separate utgaver eller versjoner av en bok. Hvis to bøker har et mangfold av unike redigeringer som ikke finnes i den andre, indikerer det at de er skrevet av forskjellige forfattere eller har vesentlig avviket fra et originalt utkast. Det store antallet og variasjonen av disse genomiske endringene understreker den distinkte opprinnelsen til de to artene. Storskala omorganiseringer eller tillegg kan føre til helt nye funksjoner, omtrent som hvordan å legge til eller revidere kapitler drastisk kan endre en boks fortelling eller budskap.
Bilde 3. Menneskelig genom prosjekt-tidslinje Ved Human genome project Creative Commons Attribution 2.0 Generic license.
En av de signifikante forskjellene i genomene til mennesker og sjimpanser er i riket av genuttrykk og regulatoriske elementer, som kontrollerer når, hvor, og hvordan gener aktiveres.
Konkrete eksempel: HAR1 (Human Accelerated Region1): HAR1 -regionen er bare 118 basepar lang, men det er kjent for å ha 18 mutasjoner. Det som er fascinerende er at denne regionen er involvert i utviklingen av hjernens neocortex, som er ansvarlig for funksjoner med høyere orden som bevisst tanke, fremtidig planlegging og språk. Hos mennesker danner HAR1 -regionen en RNA -struktur som er veldig forskjellig fra sjimpanser. Denne forskjellen i struktur antyder en betydelig divergens i funksjon mellom de to artene, og bidrar muligens til de store kognitive forskjellene, som er observert. Mens både mennesker og sjimpanser har en versjon av HAR1, kan de betydelige endringene i den menneskelige versjonen ha spilt en avgjørende rolle i utviklingen av våre avanserte kognitive evner.
Pollard, K. S., Salama, S. R., Lambert, N., Lambot, M. A., Coppens, S., Pedersen, J. S., ... & Haussler, D. (2006). Et RNA -gen uttrykt under kortikal utvikling utviklet seg raskt hos mennesker. Nature, 443 (7108), 167-172. Lenke. (Denne studien utforsker den raske utviklingen av HAR1 -genet hos mennesker, et gen uttrykt under kortikal utvikling.)
I denne artikkelen beskriver Pollard og kolleger hvordan HAR1 -regionen skiller seg betydelig mellom mennesker og sjimpanser. Dette er et konkret eksempel på hvordan til og med små genomiske "redigeringer" kan føre til potensielt dyptgripende forskjeller i biologien og egenskapene til to arter. Endringene i gener relatert til hjerneutvikling, immunitet eller metabolisme resulterer i radikalt forskjellige fysiologier og evner. Når man observerer de forskjellige modifikasjonene i genomene til både mennesker og sjimpanser, kan man trekke en analogi til to intrikate maskiner eller sofistikerte programvareapplikasjoner. Hver maskin eller programvare er designet for et bestemt formål. De kan dele noen grunnleggende komponenter eller grunnleggende kode, men spesifisitetene i designet deres viser et målrettet formål. Når en designer legger ut for å lage flere produkter, bruker han ofte en grunnleggende mal eller sett med kjerne-komponenter for å sikre effektivitet og funksjonalitet. Men det er de subtile variasjonene, de nyanserte forskjellene, som avslører det sanne geniet og intensjonen bak hver skapelse. Disse variasjonene er ikke tilfeldige eller ved ulykke; De er bevisste, laget med framsyn for spesifikke formål.
Tenk på bilens verden. Mange biler deler lignende grunnleggende komponenter: motorer, hjul, girkasser og så videre. Likevel er en sportsbil forskjellig fra en SUV ikke bare i utseende, men i funksjon. Designeren av sportsbilen ser for seg hastighet, aerodynamikk og ytelse, optimaliserer alle deler med den hensikten i tankene. Motsatt er SUV -en designet med tanke på plass, robusthet og allsidighet i høysetet. Begge kjøretøyene stammer fra det grunnleggende transportbegrepet, men deres designspesifikasjoner gjenspeiler tydelig forskjellige formål. Tilsvarende kan en programmerer bruke den samme basekoden for å utvikle forskjellige applikasjoner. Likevel kan en applikasjon være et sofistikert grafisk designverktøy, mens en annen kan være et databasestyringssystem. Begge applikasjonene kan inneholde lignende grunnleggende algoritmer eller biblioteker, men de har blitt modifisert med vilje og utvidet til å tjene distinkte funksjoner. Denne analogien kan trekkes nærmere de genetiske likhetene og avvikene som er satt mellom mennesker og sjimpanser. Ja, de kan dele en grunnleggende "kode", men de nøyaktige "finjusteringene" og "modifikasjoner" i deres DNA antyder tydelige intensjoner for hver. Dette er ikke bare biprodukter av tilfeldigheter, men snarere indikasjoner på et målrettet design. Det er som om en mastermind, utstyrt med enorm kunnskap og framsyn, har brukt en grunnleggende mal, men introdusert kritiske variasjoner for å sikre at hver art er perfekt designet for designerens mål og hensikt.
Bilde 4. Ulike vektlegging for ulike biltyper
Se for deg to mesteringeniører som bruker sin enorme kunnskap, lage to maskiner. Begge maskinene har tannhjul, kretsløp og strømkilder, men den ene er skreddersydd for dyphavsutforskning, mens den andre er bygget for å navigere i det store verdensrommet. Havutforskningsmaskinen er utstyrt med verktøy og sensorer som lar den motstå høyt trykk og oppdage endringer i vannsammen-setning. Rommaskinen er derimot designet for å operere i et vakuum, med strålingsskjold og utstyr for å analysere fremmede atmosfærer. Mens de deler grunnleggende designelementer på grunn av ingeniørenes delte kunnskap, peker deres spesifikke og intrikate modifikasjoner mot et forsettlig design for forskjellige miljøer. På lignende måte kan både mennesker og sjimpanser ha genetiske "verktøy" og "funksjoner" som antyder et visst grunnleggende designprinsipp. Fortsatt er mangfoldet av unike "redigeringer" i genomene sine forsettlige modifikasjoner. Det er som om historien om hver art er omhyggelig utformet, kapittel for kapittel, for å sikre at de trives i sine respektive fortellinger, i stedet for å være bare produkter av tilfeldige eller passive endringer. Hvis to bøker ble redigert samtidig av samme forfatter, kan du forvente at nylige endringer skal være konsistente mellom dem. Imidlertid deles ikke mange av de nylige "redigeringene" i menneskelige og sjimpanse genomer, noe som antyder separat eller uavhengig opprinnelse.
Mobile elementer
Begge artene har "mobile elementer" i sitt DNA, som kan bevege seg rundt og skape endringer. Mennesker og sjimpanser har forskjellige antall og typer av disse klistremerkene. Mobile elementer, eller transposoner, er sekvenser i DNA som kan endre sin posisjon i genomet. Se på disse som klistremerker i en utklippsbok som, i stedet for å bli permanent festet til en side, kan bevege seg rundt og til og med duplisere seg i prosessen. Denne bevegelsen kan påvirke genenes funksjon, og potensielt føre til endringer. Når vi sammenligner genomene til mennesker og sjimpanser, er en fascinerende oppdagelse at de delte innsettingsstedene til noen av disse transposonene. Med andre ord, i begge arter finnes visse "klistremerker" i de samme posisjonene i sine respektive "utklippsbøker." Fra et evolusjonært synspunkt blir de delte stedene ofte sitert som bevis for en felles aner. Resonnementet er at oddsen for at det samme mobile elementet setter seg selv uavhengig på nøyaktig samme posisjon i to separate arter, er ekstremt lav. Imidlertid er de delte innsettingsstedene en indikasjon på en delt mal eller designplan. Hvis vi vurderer en arkitekt som designer flere bygninger, er det sannsynlig at visse funksjoner eller design med vilje gjentas på tvers av forskjellige strukturer fordi de tjener et bestemt formål eller funksjon. Tilsvarende gjenspeiler de delte transposonstedene et forsettlig designelement, som er optimalisert for en spesifikk funksjon hos både mennesker og sjimpanser.
De delte transposoninnsatsstedene mellom mennesker og sjimpanser er først og fremst assosiert med klasser av mobile elementer som ALU -sekvenser, LINES og SVA -elementer. Disse elementene er funnet i de samme posisjonene i genomene til begge artene, ALU -sekvenser er korte strekninger med DNA (omtrent 300 nukleotider lange) som har spredd seg i den grad de utgjør omtrent 10% av det menneskelige genomet. Hos både mennesker og sjimpanser er det over en million eksemplarer av ALU -sekvenser. Et betydelig antall av disse er lokalisert i de samme genomiske posisjonene i begge artene. Mens nye ALU -innsettinger kan skje, kan de delte stillingene mellom mennesker og sjimpanser være markører plassert med hensikt.
De delte innsettingsstedene er blitt nevnt og popularisert som å presentere en overbevisende sak for felles avstamning, fra et evolusjonært perspektiv. Men det er mulige alternativ, plausible forklaringer. Hvis plasseringen av disse ALU -innsettingene er avgjørende for en eller annen cellulær eller molekylær funksjon, er deres delte tilstedeværelse i både menneskelige og sjimpanse genomer et trekk ved forsettlig design. Spesifikke genomiske loki kan være "hotspots" for innsettinger fordi de tilbyr funksjonelle fordeler, for eksempel å påvirke genregulering eller uttrykk. 
Hvis disse stedene gir en fordel, er det fornuftig at både mennesker og sjimpanser har dem, uavhengig av felles aner. Slike innsettinger, funnet på samme relative sted i begge genomene, er kraftige bevis for funksjonalitet, når de har merkbare roller i genregulering eller andre genomiske funksjoner.
Bilde 6. ALU-i kromosomer -farget grønt. Ved Andreas Bolzer, Gregor Kreth, Irina Solovei, Daniela Koehler, Kaan Saracoglu, Christine Fauth, Stefan Müller, Roland Eils, Christoph Cremer, Michael R. Speicher, Thomas Cremer - Bolzer et al., (2005) PLoS Biol 3(5): e157 DOI: 10.1371/journal.pbio.0030157, Figure 7a, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1371900
Flere kjente funksjoner av ALU -elementer inkluderer:
Påvirkning på genregulering: ALU -elementer kan fungere som transkripsjonelle forsterkere eller stilnere, og påvirke ekspresjonsnivåene til nærliggende gener.
Alternativ spleising: ALU -sekvenser i eksoner og introner påvirker alternative spleisemønstre, noe som resulterer i forskjellige transkripsjonsvarianter. Dette kan føre til generering av forskjellige protein isoformer fra et enkelt gen.
Genomisk strukturell variasjon: ALU-elementer kan fremme ikke-alleliske homologe rekombinasjonshendelser, noe som kan føre til genomiske strukturelle variasjoner som slettinger, duplikasjoner og inversjoner.
Påvirkning på proteinkoding: I sjeldne tilfeller kan deler av ALU -sekvenser integreres i modent mRNA og bli oversatt, påvirke proteinfunksjonen eller lage nye peptider.
miRNA-mål steder: ALU-elementer kan gi bindingssteder for mikroRNA (miRNA), små ikke-kodende RNA som regulerer genuttrykk post-transkripsjonelt.
DNA -metylering: ALU -elementer kan være steder for DNA -metylering, en epigenetisk modifisering som kan påvirke genuttrykk. ALU-assosiert metylering kan ha implikasjoner i forskjellige biologiske prosesser, inkludert aldring og kreft.
Fremming av DNA dobbeltstrengs reparasjon: Det er bevis som tyder på at ALU-elementer kan delta i DNA-skaderesponsen, spesielt i ikke-homolog endeforbindelse, en måte å reparere DNA-dobbeltstrengsbrudd.
Genomutvikling: På grunn av deres repeterende natur og kapasitet for mobilisering, spiller ALU-elementer en rolle i genomutviklingen ved å fremme genomisk mangfold.
Dannelse av kjerne domener: ALU -elementer har blitt involvert i organiseringen av visse kjerne-domener som påvirker genuttrykk og andre kjerne-prosesser.
Stressrespons: Noen ALU -elementer er transkribert som respons på forskjellige belastninger, og deres RNA -produkter kan spille roller i cellulære stressresponser.
Kilde til genetiske sykdommer: feilinnhold eller ulik rekombinasjon som involverer ALU-elementer kan føre til genetiske sykdommer.
Her er et bemerkelsesverdig artikkel om dette emnet:
.png)
Polak, P., & Domany, E. (2006). ALU -elementer inneholder mange bindingssteder for transkripsjonsfaktorer og kan spille en rolle i regulering av utviklingsprosesser. BMC Genomics, 7 (1), 133. Lenke. (Denne studien utforsker den høye frekvensen av transkripsjonsfaktorbindingssider innen ALU-elementer. Gitt at mange av disse ALU-innsettingene er delt mellom mennesker og sjimpanse. Denne studien postulerer at de kan ha roller i reguleringen av utviklingsprosesser i begge artene.)
Denne artikkelen kaster ikke bare lys over delte ALU -innsettinger, men dykker også inn i sine potensielle funksjonelle roller. Tilstedeværelsen av delte innsettingssteder med funksjoner som transkripsjons-faktorbinding, antyder at dette ikke bare er biprodukter av tilfeldige innsettingshendelser, men heller potensielt konserverte elementer som spiller en rolle i den delte biologien til mennesker og sjimpanser.
Det er også den observerte påvirkningen av ALU -sekvenser på genregulering, ekspresjon, spleising og andre genomiske funksjoner. Påvirkning på genregulering og uttrykk:
Batzer, M. A., & Deininger, P. L. (2002). AlU repeats and human genomic diversity. Nature Reviews Genetics, 3 (5), 370-379. Lenke. (Denne omfattende gjennomgangen belyser effekten av ALU -sekvenser på genomisk mangfold og understreker potensialet deres til å påvirke genuttrykk og regulering.)
Sorek, R., Ast, G., & Graur, D. (2002). Alu-containing exons are alternatively spliced.Genom Research, 12 (7), 1060-1067. Lenke. (Denne studien viser at ALU -sekvenser innen eksoner kan påvirke alternative spleisemønstre, noe som fører til forskjellige transkripsjonsvarianter.)
Bejerano, G., Lowe, C. B., Ahituv, N., King, B., Siepel, A., Salama, S. R., ... & Haussler, D. (2006). A distal enhancer and an ultraconserved exon are derived from a novel retroposon. Nature, 441 (7089), 87-90. Lenke. (Artikkelen identifiserer retroposon-avledede sekvenser, inkludert de som ligner på ALU-elementer, som har tatt på seg kritiske regulatoriske roller i det menneskelige genomet, spesielt i nevrale genuttrykk.)
Hver av disse studiene kaster lys over den funksjonelle betydningen av ALU -sekvenser, og gir en sannsynlig grunn til deres tilstedeværelse og bevaring på spesifikke genomiske steder. Disse delte funksjonene er bevis for målrettet plasserte elementer som bidrar til funksjonaliteten og robustheten til genome
ALU -innsettinger
Det er tusenvis av delte ALU -innsettinger mellom mennesker og sjimpanser. Anslag antyder at mennesker og sjimpanser deler omtrent 7000 til 8000 ALU -elementinnsettinger. Disse delte innsettingene brukes ofte som bevis til støtte for en felles stamfar for de to artene. Både evolusjon og design kan fungere under begrensninger. Når det gjelder ALU -innsettinger, kan det bare være et begrenset antall steder som er tillatte eller optimale for innsetting. Fra et designperspektiv kan disse begrensningene pålegges for å sikre genomisk stabilitet, riktig funksjon eller andre viktige attributter. Derfor er tilstedeværelsen av ALU -sekvenser i samme loki på tvers av arter garantert å bli sett på som et trekk ved design, som opererer innenfor spesifikke begrensninger, snarere enn bevis på felles avstamning. Hvis visse innsettingssteder tilbyr fordeler, er det mulig at disse stedene kan velges for begge artene på grunn av fordelene deres, selv uten felles aner. Den rene kompleksiteten og den intrikate rekkefølgen av genomet kan nødvendiggjøre at spesifikke funksjoner er på bestemte steder. Hvis man ser på genomet som et omhyggelig utformet system, har alle deler, inkludert ALU -innsettinger, sitt utpekte sted for systemet for å fungere optimalt. Tilstedeværelsen av disse innsettingene på de samme stedene i begge artene kan være bevis på en underliggende blåkopi eller mønster, omtrent som hvordan forskjellige modeller av en enhet kan ha komponenter på de samme stedene, fordi de alle er basert på en grunnleggende utforming.
LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements)
LINEs er lengre sekvenser, vanligvis rundt 6000 nukleotider lnage. Line-1 (L1) er den vanligste typen i pattedyrgenomer. Det er delte L1 -innsettingssteder mellom mennesker og sjimpanser, noe som igjen antyder enten en felles forfedre- opprinnelse, eller et forsettlig design. Ideen om "hotspots" eller foretrukne regioner for transponerbare elementinnsettinger er ikke ny. Disse hotspots kan være områder som er mer tilgjengelige for det transponerbare element-maskineriet, eller de kan være regioner der innsetting ikke resulterer i en dødelig effekt, og dermed kan disse innsettingene sendes videre til neste generasjon.
Speek, M. (2001). Antisense -promoter av humant L1 retrotransposon driver transkripsjon av tilstøtende cellulære gener. Molecular and Cellular Biology, 21 (6), 1973-1985. Lenke.
Denne studien utforsker regionene der L1 -elementer integreres og antyder at visse genomiske regioner kan være mer egnede for disse innsettingene på grunn av deres reguleringspotensiale.
Boissinot, S., & Furano, A. V. (2001). Adaptive evolution in LINE-1 retrotransposons. Molecular Biology and Evolution, 18 (12), 2186-2194. Lenke.
Denne artikkelen diskuterer innsikt i regionene i genomet som kan fungere som "hotspots" for innsetting av LINE-1.
Hvis L1 -innsettinger bare var et resultat av felles aner, ville forventningen være at andre nært beslektede arter også ville dele de samme innsettingene. Imidlertid er L1 -aktiviteten og dets mønstre ikke jevnt bevart på tvers av alle linjer, når vi ser på det bredere spekteret av primals og pattedyrs evolusjon. Noen sentrale funn i forskjellige vitenskapelige studier har fremhevet disse avvikene:
Bilde 9. LINE1 -hos mus Salem, A. H. ... & Batzer, M. A. (2003). Alu elements and hominid phylogenetics.
Proceedings of the National Academy of Sciences, 100 (22), 12787-12791.
Lenke. (Denne artikkelen utforsket Alu -elementer og deres relevans i å forstå hominidforhold. Studien fremhevet at fordelingen av ALU -elementer ikke alltid er i samsvar med det aksepterte fylogenetiske treet. )
Boissinot, S., Chevret, P., & Furano, A. V. (2000). L1 (LINE-1) retrotransposon evolution and amplification in recent human history. Molecular biology and evolution,, 17 (6), 915-928.
Lenke. (Denne studien om L1 -elementer viser frem at de nylige evolusjonære amplifiseringsmønstrene til L1 ikke er konsistente på tvers av alle menneskelige populasjoner.)
Khan, H., Smit, A., & Boissinot, S. (2006). Molecular evolution and tempo of amplification of human LINE-1 retrotransposons since the origin of primates.. Genom Research, 16 (1), 78-87.
Lenke. (Denne artikkelen undersøkte evolusjonshistorien til Line-1-elementer hos mennesker og fant at forsterkningen deres ikke har vært jevn over tid og varierer betydelig blant primater.)
Locke, D. P .... & Gibbs, R. A. (2011). Comparative and demographic analysis of orangutan genomes. Nature, 469 (7331), 529-533.
Lenke. (I denne studien ble orangutans genomer analysert, og avslørte signifikante forskjeller i distribusjonen og aktiviteten til mobile elementer, inkludert Line-1, sammenlignet med mennesker og andre primater.)
Disse studiene avslører at selv om det kan være delte L1 -innsettinger mellom mennesker og sjimpanser, presenterer den bredere konteksten av primatutvikling avvik. Disse avvikene på delte L1-steder blant et bredere spekter av primater, indikerer at det er mer med historien enn bare en grei fortelling om felles aner, utelukkende basert på L1 -innsettingslikhet. Hvis delte L1 -innsettingssteder mellom mennesker og sjimpanser har blitt vist å tjene viktige regulatoriske eller strukturelle funksjoner i genomet, antyder det en forsettlig design. Evolusjon ved naturlig seleksjon fungerer på funksjonalitet; Det har ikke framsyn. Derimot kan forsettlig design plassere elementer i påvente av fremtidige behov eller for å tjene intrikate, mangefasetterte roller. Valget av studier som presenteres dekker et bredt spekter av rollene og implikasjonene av linje-1 (L1) elementer i genomet. På et helhetlig nivå utgjør de en overbevisende sak om at disse elementene ikke bare er genomisk "søppel" eller vilkårlige rester av gamle virale innsettinger, men heller har betydelige funksjoner som kan forklares bedre med et designperspektiv.
Speek (2001): Antisense -promotorenes evne i L1 retrotransposon til å drive transkripsjon av tilstøtende gener understreker viktigheten av L1 i å påvirke genuttrykksmønstre. En slik funksjon kan sammenlignes med en regulerings-mekanisme, en som bevisst er blitt posisjonert for å optimalisere ekspresjonen av essensielle gener. (1)
Bilde 10. Hot-spots hos menneske. Ved By Mikael Häggström, M.D; Human Genome Project. Creative Commons Attribution 4.0 International license., CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=125968286
Khan et al. (2006): Hvis L1 -elementer ganske enkelt var rester av vår evolusjonshistorie, ville man forvente at de skulle bli jevnt forsterket på tvers av primater. Studien antyder imidlertid at forsterkningen deres har vært selektiv, og antydet en viss funksjonell betydning som har gjennomgått spesifikt press for å opprettholde eller endre deres tilstedeværelse. (2)
Faulkner & Carninci (2009): I motsetning til forestillingen om at mobile elementer som L1 er "egoistiske" og først og fremst eksisterer for egen forplantning, belyser denne forskningen deres "altruistiske" roller som kommer verten til gode. Slike komplekse doble roller - både egoistiske og altruistiske - er en indikasjon på et design med mangefasetterte formål.(3)
De Koning et al. (2011): Den svimlende tilstedeværelsen av repeterende elementer i det menneskelige genomet, inkludert L1, utfordrer ideen om at disse sekvensene bare er evolusjonære rester. Deres overflod antyder et orkestrert design, med hvert element som spiller en rolle i den genomiske symfonien. (4)
Fort et al. (2014): Involvering av retrotransposoner, inkludert L1, for å opprettholde pluripotens av pattedyr-stamceller, er et vitnesbyrd om deres essensielle funksjon. Det er utfordrende å avfeie en slik sentral rolle som bare en tilfeldighet, som følge av felles aner.(5)
Lewinski & Bushman (2005): Ved å dukke inn i mekanikken og implikasjonene av retrovirale DNA -integrasjoner som ligner på L1, omslutter denne gjennomgangen de mange måtene disse elementene påvirker genomisk struktur og funksjon. Presisjonen og intrikatiteten til disse mekanismene peker mot et godt kalibrert system, som kan sees på som et kjennetegn på design.(6)
Genomet fungerer som et komplekst system med flere lag med regulering og interaksjon. Delte L1 -innsettinger som finnes i funksjonelt avgjørende regioner i genomet (f.eks. Genregulerende nettverk) i begge arter kan sees på som bevis på en delt designmal. Akkurat som en ingeniør kan bruke en spesifikk komponent i flere enheter på grunn av dens pålitelighet og funksjon, kan de delte L1 -stedene sees på som essensielle komponenter i det genomiske maskineriet. Hvis de delte L1 -innsettingene fungerer i sammenheng med andre genomiske elementer (som ALU -sekvenser eller spesifikke gener) på en måte som skaper et harmonisert system hos både mennesker og sjimpanser, vil det antyde et designprinsipp som verdsetter integrasjon og harmoni i genomiske operasjoner.
SVA -elementer
Dette er nyere, sammensatte elementer som består av sekvenser fra andre transposoner. De kalles SVAs fordi de inneholder segmenter fra SINEs, VNTRs og ALU -sekvenser. Selv om det er færre SVA -er enn ALUs eller lLINEs, kan det fortsatt finnes delte innsettingssteder mellom mennesker og sjimpanser.
I tillegg er det viktig å merke seg at selv om mange innsettingssteder deles, er det også mange steder som er unike for hver art, og fremhever særegenheten til deres genetiske sminke. Disse unike stedene, sammen med de delte, bidrar til den generelle kompleksiteten og spesifisiteten til hver arts genom.
Genforskjeller
Genene, eller instruksjonssettene, for ting som lukt (luktreseptorer) er forskjellige mellom de to artene. Begge har unike mutasjoner i gener som omhandler immunresponser og hvordan celler gjenkjenner hverandre. Mennesker har spesifikke mutasjoner relatert til tale og hjernestørrelse, mens sjimpanser har sine egne unike mutasjoner. Bortsett fra gener som instruerer hvordan de skal bygge og betjene et legeme, er det andre DNA-segmenter, "ikke-(protein)-kodende sekvenser", som hjelper til med å kontrollere hvordan disse genene fungerer. Mennesker har spesielle regioner som heter HARs og HACNs. Disse områdene er spesielt viktige for hjerneutvikling og funksjon. Begge artene har forskjellige pericentriske inversjoner, i tillegg til et mangfold av slettinger, innsettinger og variasjoner i kopierings-antall. Kompleksiteten og mangfoldet av disse endringene antyder separate genetiske veier og historier, snarere enn modifikasjoner fra en delt stamfar. Det er artsspesifikke mutasjoner og forskjellige repertoarer av gener relatert til olfaksjon, immunitet, sialinsyremetabolisme og hjerneutvikling. De unike genene og mutasjonene i hver art kan antyde at de var laget for spesifikke formål, og antydet separat opprinnelse. Forskjeller eksisterer i kodingssekvensene til begge artene, for eksempel de divergerende genene relatert til immunitet og cellegjenkjenning. De unike settene med proteinkodende gener i hver art kan innebære separate genetiske blueprints, og støtter ideen om separat opprinnelse.
Bilde 11. Ulik logikk. Bilde ved Otangelo Grasso
Nevrologiske distinksjoner
Mennesker har unike hvite stoffkanaler, med endringer i arkitekturen, noe som antyder ulike nevrale forbindelser. Dette påvirker kognitive funksjoner og vår evne til abstrakt tenking, planlegging og komplekst språk.
Distinkte gener relatert til nevrotransmittere påvirker atferd, kognisjon og sosiale interaksjoner ulikt i de to artene.
Hvite stoffskanaler og kognitiv funksjon
Menneskelige hjerner viser et særegent mønster av myelinisering, spesielt i de hvite materielle kanalene. Myelin er avgjørende for rask signaloverføring i nevrale veier. Forbedret myelinisering hos mennesker, spesielt i frontalobene, bidrar til raskere kognitiv prosessering og avanserte beslutningsevner. Arcuate fasciculus er en hvitstoffkanal som forbinder brokasområdet og Wernicke's område i den menneskelige hjernen, viktig for språkforståelse og produksjon. Mens sjimpanser har en buet fasciculus, er den mindre utviklet og har ikke den samme forbindelsen, noe som delvis kan forklare hvorfor de ikke har komplekse språkfunksjoner som mennesker.
Bildee 12. Buet Fasciculus (BF) hos menneske. Ved By Sobotta.
Betydningen av den Buede Fasciculus (BF) hos mennesker
BF er ikke bare en enkel kontakt mellom Brocas og Wernickes områder, men fungerer som en essensiell motorvei for en mengde språklige prosesser. Dette inkluderer semantikk (mening), syntaks (setningsstruktur), uttale (intonasjon og rytme) og fonologisk prosessering. Utviklingen og sofistikering av BF hos mennesker, letter språkets nyanserte og mangefasetterte natur. Forskning ved bruk av diffusjons tensoravbildning, har avdekket at den menneskelige BF består av både anterior-til-posterior og posterior-til-anterior segmenter, noe som indikerer en toveis flyt av informasjon. Denne toveis kommunikasjonen er avgjørende for tilbakemelding i sanntid og rask prosessering som kreves for flytende tale og forståelse. Utover bare Brocas og Wernicke områder, samhandler BF med andre deler av hjernen, for eksempel den underordnede parietal lobulen, involvert i oppgaver som lesing og tallbehandling. Dette antyder at dens rolle i å integrere forskjellige kognitive funksjoner, ikke bare tale. Nivået av raffinement og intrikathet i den menneskelige BF, sammenlignet med det enklere motstykket i sjimpanser, egner seg ikke lett til gradvise evolusjonsfortellinger. Det er vanskelig å se for seg mellomstadier der en delvis dannet BF vil gi betydelige evolusjonære fordeler. For at BF skal utvikle seg til å støtte språk, vil språket i seg selv måtte utvikle seg med trakten. Denne samtidige utviklingen av hjernestruktur og sofistikerte språklige evner, presenterer et kylling-og-egg-problem. Hva kom først: det språklige behovet eller den nevrale strukturen? Hvis BF i tidligere homininer eller felles forfedre til mennesker og sjimpanser var underutviklet (likt sjimpanser), vil de sannsynligvis ha alternative nevrale veier for kommunikasjon. Evolusjonær utvikling av BF ville gjøre disse traséene overflødige, noe som er ineffektivt fra et evolusjonært perspektiv. BFs intrikate arkitektur hos mennesker, med sine toveis forbindelser til flere hjerneområder, antyder en målrettet design skreddersydd for komplekse språklige og kognitive oppgaver. Dette handler mindre om bare en utvidelse eller modifisering av en eksisterende struktur, og mer om en reimagining av dens rolle og evner. Ulikheten i utviklingen og funksjonaliteten til BF mellom mennesker og sjimpanser, indikerer distinkte tegninger eller opprinnelse, i stedet for at den ene arten er en modifisert versjon av den andre. Hjernen fungerer som et helhetlig nettverk. En endring i ett område (som BF) kan påvirke forskjellige andre regioner og funksjoner. Den sømløse integrasjonen av BF i de menneskelige nevrale rammene understreker ideen om en koordinert og gjennomtenkt utformet design, i motsetning til tilfeldige evolusjonsutstyr.
Corpus callosum -tilkobling
Corpus callosum hos mennesker støtter forbedret interhemisfærisk kommunikasjon, kritisk for komplekse oppgaver som lesing og abstrakt tenking. Mens sjimpanser har et korpus callosum, viser de forskjeller i deres arkitektur og funksjon. Corpus callosum er den største hvite materielle kanalen i den menneskelige hjernen og spiller en sentral rolle i å integrere funksjoner i venstre og høyre hjernehalvdel. Den intrikate utformingen hos mennesker sammenlignet med andre primater som sjimpanser reiser dyptgripende spørsmål om arten, og opprinnelsen til dens utvikling. Corpus callosum letter rask og kompleks kommunikasjon mellom de to hemisfærene. Denne integrasjonen gjør det mulig for mennesker å utføre oppgaver som krever samtidig engasjement av begge hemisfærer, for eksempel å forstå metaforer, der venstre hemisfære behandler språket og de riktige prosessene det abstrakte konseptet. Motor og sensorisk integrasjon spiller en rolle i å koordinere motoriske utganger og sensoriske innganger mellom hemisfærene. Dette er tydelig i oppgaver som krever koordinering av hånd-øye, der hemisfærer må fungere i tandem. Høyre halvkule spiller en betydelig rolle i behandlingen av følelser. Gjennom corpus callosum kan emosjonelle signaler raskt overføres og behandles i sammenheng med språk og logikk, som hovedsakelig ligger på venstre hemisfære
Mens sjimpanser har et corpus callosum, er det distinksjoner: Det menneskelige korpus callosum, når det er justert for hjernestørrelse, er tykkere og inneholder flere aksoner. Dette betyr at mer informasjon kan overføres og med en raskere hastighet hos mennesker. Tilkoblingsmønstrene, og dermed de spesifikke funksjonene som er tilrettelagt av corpus callosum i sjimpanser, kan være forskjellige fra mennesker, noe som gjenspeiler de forskjellige kognitive evnene mellom artene. Gitt den store effekten av korpus callosum på menneskelig erkjennelse og dets intrikate utforming, er det utfordrende å se for seg mellomstadier av dens evolusjonsutvikling der trinnvise fordeler ville bli gitt.
Hjernen handler ikke bare om å ha forbindelser, men om å ha de rette forbindelsene. For hver nevron i hjernen er det omtrent 10.000 synaptiske forbindelser til andre nevroner. De matematiske permutasjonene for disse forbindelsene er svimlende. Selv en svak feilbehandling kan føre til ikke-funksjonalitet eller funksjonsfeil. Et fullt funksjonelt korpus callosum som dukker opp gjennom tilfeldige mutasjoner virker enormt usannsynlig. Utviklingen av Corpus Callosums avanserte design ville nødvendiggjøre samtidig utvikling av andre hjerneområder og funksjonaliteter som det er grensesnitt til. En slik synkronisert evolusjon utgjør en betydelig utfordring å forklare. Den nøyaktige og omhyggelige utformingen av det menneskelige korpus callosum peker på forsettlig håndverk. Integrasjonen med andre hjerneområder virker målrettet koordinasjon for komplekse kognitive funksjoner. Mulighetene som er tilrettelagt av vårt korpus callosum, som abstrakt tenking, er unikt menneskelige. Slike særegne funksjoner antyder en egen opprinnelse eller en blåkopi i stedet for en trinnvis utvikling fra en primatforfeder.
Nevrotransmittere og atferd
DRD4-genet, som koder for dopaminreseptoren, har variasjoner hos mennesker knyttet til nyhetssøkende oppførsel. Sjimpanser har forskjellige versjoner av dette genet, noe som fører til forskjeller i risikotaking og utforskende atferd.
Variasjoner i gener som regulerer serotonin kan påvirke sosial atferd. Mennesker har spesifikke gener som understøtter vår samarbeidsvillige natur og samfunnsstrukturer, mens sjimpanser har versjoner som støtter deres mer hierarkiske og territorielle sosiale systemer. HARS (Humane Akselererte Regioner) er segmenter av genomet som ofte er involvert i genregulering, spesielt under hjerneutvikling. MikroRNA er små RNA -molekyler som spiller en avgjørende rolle i genregulering. Mennesker og sjimpanser har forskjeller i uttrykket og funksjon til flere mikroRNA, spesielt de som er involvert i hjernefunksjon og utvikling.
Metyleringsmønstre, en epigenetisk mekanisme, kan variere mellom mennesker og sjimpanser. Forskjeller i disse mønstrene kan påvirke hvordan gener blir slått av eller på, noe som fører til divergens i trekk og funksjonaliteter. Genregulerende nettverk involverer ofte tilbakemeldingssløyfer, der produktet av et gen kan påvirke sitt eget uttrykk eller det fra andre gener. Forskjeller i disse løkkene mellom arten kan føre til en kaskade av forandringer, og drastisk endre biologiske utfall. Gitt kompleksiteten i disse nettverkene, innebærer til og med mindre innledende forskjeller i betydelig divergens. Mens mennesker og sjimpanser deler en betydelig del av sitt DNA, antyder de intrikate forskjellene i nevral arkitektur, nevrotransmitterregulering og genregulerende nettverk, sterkt separate evolusjonsbaner. Disse distinkte traséene og de resulterende forskjellene i erkjennelse, atferd og sosiale strukturer, gir kraftige bevis mot en enkelt delt stamfar.
Ytterligere forskjeller
Mennesker og sjimpanser har forskjellige kostholdskrav og fordøyelses-mekanismer. Sjimpanser har en mer robust tarm for å behandle et variert kosthold, inkludert rå plantematerialer, mens mennesker er tilpasset for å spise kokt mat. Sjimpanser har unike gener som tjener deres knoke-bevegelse, mens mennesker har genetiske koder for oppreist bipedalisme, og påvirker alt fra bekkenstruktur til fotbuer. Mennesker har en utvidet barndoms- og ungdomsfase, sammenlignet med sjimpanser. Genetiske forskjeller dikterer den menneskelige hjernens saktere modning og vår lengre reproduktive syklus. De genetiske, epigenetiske, produksjons- og regulerings -informasjons- og -signalveier, og informasjonen resulterer i forskjellige lengder av svangerskap mellom de to artene, med mennesker som har en spesielt lengre svangerskapsperiode. Mens begge mye er avhengige av synet, har mennesker spesifikke gener relatert til trikromatisk syn, og hjelper til med å skille et bredere spekter av farger. Sjimpanser, selv om de har godt syn, har ikke de samme farge-skjelnende evnene. Genetiske forskjeller resulterer i variasjoner i smaksløkreseptorer. For eksempel er mennesker følsomme for et bredere spekter av smak, noe som gjør oss til mer kresne spisere. Interessant nok har sjimpanser en raskere sårhelbredelses-prosess enn mennesker. Distinkt genetiske veier gir dem en mer effektiv helbredelses-mekanisme.
Bilde 14. Kromosomsammensetning hos menneske og sjimpanse
Mens mennesker kan være utsatt for visse sykdommer, kan sjimpanser være naturlige immun mot dem, og omvendt. Dette kan tilskrives artsspesifikke immunrelaterte gener. Forskjeller i DNA -metylering, en mekanisme som brukes til å kontrollere genuttrykk, mellom mennesker og sjimpanser, peker på forskjellige evolusjonære baner. Studier antyder at visse gener muterer i ulike hastigheter hos mennesker og sjimpanser, noe som indikerer separate evolusjonsbaner.
Videre lesing: Opprinnelsen til tale, etter evolusjon eller design?
lenke
1. Speek, M. (2001). Antisense promoter of human L1 retrotransposon drives transcription of adjacent cellular genes. Molecular and Cellular Biology, 21(6), 1973-1985. Link.
Denne artikkelen viser at antisense -promotoren i L1 retrotransposon kan drive transkripsjon av tilstøtende cellulære gener. Dette viser at L1 kan påvirke genuttrykksmønstre.
2. Khan, H., Smit, A., & Boissinot, S. (2006). Molecular evolution and tempo of amplification of human LINE-1 retrotransposons since the origin of primates. Genome research, 16(1), 78-87. Link.
Denne studien avslører at Line-1-elementer, for eksempel L1, ikke er blitt jevnt forsterket over primatutviklingen. Deres distribusjons- og aktivitetsmønstre antyder selektive trykk, noe som indikerer deres potensielle funksjonelle betydning.
3. Faulkner, G. J., & Carninci, P. (2009). Altruistic functions for selfish DNA. Cell cycle, 8(18), 2895-2900. Link.
Denne studien viser det bredere perspektivet at mobile elementer, inkludert L1, har roller utover "egoistisk" forplantning. De har ofte "altruistiske" roller som er gunstige for vertsorganismen, som genregulering.
4. de Koning, A. P., Gu, W., Castoe, T. A., Batzer, M. A., & Pollock, D. D. (2011). Repetitive elements may comprise over two-thirds of the human genome. PLoS genetics, 7(12), e1002384. Link.
Denne omfattende studien antyder at en betydelig del av det menneskelige genomet består av repeterende elementer, inkludert L1. Den rene overflod av disse elementene peker mot deres potensielle funksjonalitet.
5. Fort, A., Hashimoto, K., Yamada, D., Salimullah, M., Keya, C. A., Saxena, A., ... & Carninci, P. (2014). Deep transcriptome profiling of mammalian stem cells supports a regulatory role for retrotransposons in pluripotency maintenance. Nature genetics, 46(6), 558-566.
Denne studien gir en dyp innsikt i transkripsjonsprofilen til pattedyrstamceller. Det støtter ideen om at retrotransposoner, inkludert L1, spiller en rolle i å opprettholde pluripotensialitet.
6. Lewinski, M. K., & Bushman, F. D. (2005). Retroviral DNA integration-mechanism and consequences. Advances in genetics, 55, 147-181. Link. Denne gjennomgangen dekker mekanikken og konsekvensene av retroviral DNA -integrasjon, inkludert elementer som ligner på L1. Det understreker de potensielle funksjonelle implikasjonene av slike innsettinger.
Oversettelse via google oversetter og bilder ved Asbjørn E. Lund