Комментарий: Эволюция ошол эле генетикалык формуланы колдонуп, жаныбарларды моногамдуу кылды.

PNAS

January 22, 2019 116 (4) 1331-1336; биринчи жолу 7-январь, 2019 жарыяланган https://doi.org/10.1073/pnas.1813775116

Ребекка Л. Янг, Майкл Х. Феркин, Нина Ф. Оккендон-Пауэлл, Вероника Н. Орр, Стивен М. Фелпс, Oskos Pogány, Корин Л. Ричардс-Завацки, Кайл Саммерс, Tamás Sekély, Брайан С. Тренор, Araxi O. Urrutia, Гергели Захар, Лорен А. О'Коннелл, жана Ханс А. Хофманн

маани

Адатта, жупташуу мамилеси, аймактык коргонуунун күчөшү жана көбүнчө эки жактуу камкордук менен мүнөздөлгөн социалдык моногамия жаныбарларда бир нече жолу өнүгүп келген. Моногамдуу жупташтыруу тутумдарынын көзкарандысыз эволюциялык келип чыгышына карабастан, мээдеги бир нече гомологдук аймактар ​​жана нейроэндокриндик жолдор социалдык таандыктыкты жана ата-энелик камкордукту жөнгө салууда сакталган ролду ойношот, бирок моногамиянын негизиндеги нейромолекулярдык механизмдердин эволюциясы жөнүндө көп нерсе билинбейт. Бул жерде биз транскриптомикалык профилдердин омурткалуулардагы моногамия менен байланышкандыгын жана жүрүм-турумдук ар түрдүүлүктүн келип чыгышын түшүнүү үчүн ачылыштын маанилүүлүгүн талкуулайбыз. Моногамдуу жана моногамиялык эмес түрдөгү чычкандар, тешиктер, париддер, бакалар жана цихлид балыктарындагы репродуктивдүү эркектердин нейрон транскриптомдорун салыштырып көрөбүз. Биздин жыйынтыктар омурткалуулардагы моногамиянын негизиндеги универсалдуу транскриптомикалык коддун далили болуп саналат.

жалпылаган

Адатта, жуптук байланыштын пайда болушу, аймактык коргонуунун күчөшү жана көбүнчө эки жактуу камкордук менен мүнөздөлгөн социалдык моногамия жаныбарларда бир нече жолу өз алдынча өнүгүп келген. Моногамдуу жупташуу тутумдарынын көзкарандысыз эволюциялык келип чыгышына карабастан, мээдеги бир нече гомологдук аймактар ​​жана нейропептиддер жана алардын кабылдагычтары социалдык таандыктыкты жана ата-эненин камкордугун жөнгө салууда сакталган ролду ойношкон, бирок геномдук масштабдагы моногамиянын негизиндеги нейромолекулярдык механизмдер жөнүндө аз маалымат бар. Бул жерде биз моногамдуу жана моногамиялык эмес түрлөрдүн тукумундагы репродуктивдүү эркектердин нейрон транскриптомдорун салыштырып көрөбүз. Перомискус чычкан, Microtus жырткычтар, париддик ырлар, дендробатид бакалар жана Ксенотилапия цихлид балыктарынын түрлөрү. Түрлөрдүн же клеткалардын ортосундагы эволюциялык айырмачылык убактысы ген экспрессиясынын окшоштугун түшүндүрбөгөнү менен, жупталуу тутумунун өзгөчөлүктөрү нейрон генинин экспрессивдик үлгүлөрү менен тыгыз байланышкан жана түрлөр моногамияга өткөндө нейрондук ген экспрессиясы бирдей өзгөргөн. Биздин изилдөө омурткалуулардагы моногамиянын эволюциясына негизделген универсалдуу транскриптомикалык механизмдин далили болуп саналат.

Жаныбарлардын социалдык жүрүм-турумунун ар түрдүүлүгү, жүрүм-турум репертуарындагы, сенсордук жана таанып-билүүчүлүк адистештирилген вариацияларды жана алар пайда болгон экологиялык контексттерди изилдеген көптөгөн изилдөөлөргө түрткү болду. Ушундай чоң өзгөрүүлөргө карабастан, гормондордун, өзгөчө жыныстык стероиддердин жана нейропептиддердин таасири (1) жана башка талапкерлердин жолдору социалдык жүрүм-турумду жөнгө салууда өзгөчө сакталып калган көрүнөт (мисалы, булактар. 2 жана 3). Андан тышкары, акыркы изилдөөлөр консервацияланган гендин координацияланган иш-аракеттеринин окшош жүрүм-турум фенотиптерине көз карандысыз эволюциялык өтүүсүнүн негизин түзгөн кызыктуу гипотезаны колдойт (4⇓⇓⇓-8). Демек, жүрүм-турум фенотиптери эволюциялык тарыхына карабастан молекулярдык механизмдерди бөлүшүшү мүмкүн. Байыркы ата-бабалардан калган жаныбарлардай эле, ички жана тышкы шарттар өзгөрүп, кыйынчылыктарга туш болушкан. Ушул ата-бабалардан калган организмдердин гомеостазды кармоо үчүн колдонгон механизмдери, келип чыккан жүрүм-турумдук реакциялардын эволюциясынын куруучу фактору болуп кызмат кылат, бул социалдык сигналдарды иштеп чыгууда гомологдук мээ региондорунун сакталып калган ролу менен тастыкталат (9⇓-11). Молекулярдык деңгээлде жүздөгөн миллиондогон жылдар бою молекулярдык жолдордун жана ген тармактарынын "шайманы" сакталат (12) жана фенотиптик жаңылыкты көбүнчө ушундай сакталып калган ген топторунун жаңы колдонулушу менен байланыштырса болот (13, 14). Консервацияланган ген модулдарынын кеңири таралышын фенологдор белгилешет - ар кандай түрдөгү функционалдык жана физиологиялык жактан өз ара байланышпаган фенотиптер негизги ортологиялык гендердин орток топтомдорунун статистикалык ашыкча берилиши менен (15). Акырында, метазоан жаныбарларынын эволюциялык мамилелерин жөнгө салуудагы жылыштар гомоплазия буга чейин бааланганга караганда кыйла кеңири жайылгандыгын көрсөтүүдө (16), ал тургай, бири-бирине дал келген молекулярдык механизмдери бар фенотиптердин арасында (мисалы, нерв системалары (17, 18)]. Бул ачылыштар морфологиялык жана өнүгүү фенотиптеринин келип чыгышы жана эволюциясы жөнүндө ой жүгүртүүбүздү өзгөрттү, бирок жүрүм-турумдун эволюциясын изилдөөдө сейрек колдонулат.

Окшош фенотиптердин универсалдуу механизмдерин ачуу үчүн салыштырмалуу мамиле талап кылынат (19⇓-21). Бул жерден биз окшош нейрондук транскриптомикалык профильдер омурткалуулардагы социалдык жүрүм-турумдун өзгөрүүсү менен канчалык деңгээлде байланышкандыгын сурап, жупталуу тутумунун эволюциясын мисал катары колдонуп, жүрүм-турум түрдүүлүгүнүн келип чыгышын түшүнүүдө ачылыштын маанилүүлүгүн талкууладык. Ал эми кладдын ичиндеги кыйла тар фокуста окшош сөз менен көбүрөөк талапкерлердин гендери табылышы мүмкүн (6, 22), бул натыйжаларды кладдар боюнча жалпылоо мүмкүн эмес, алардын кеңири кесепеттерин чектөө. Моногамдуу жакын туугандары бар моногамдык түрлөрдү, жок дегенде, төрт ири омурткалуу клеткаларда (телостосттор, амфибиялар, канаттуулар, сүт эмүүчүлөр) кездешет, бул белгилүү бир жупташуу тутумуна кайталап өтүү биргелешкен транскриптомикалык механизмдер аркылуу өзгөрүлөбү же жокпу, билүүгө болот. Репродуктивдүү эркектердин нейрон транскриптомдорун моногамдуу жана моногамиялык эмес түрлөрдүн жуптарында салыштырабыз. Перомискус чычкан, Microtus жырткычтар, пассероиддор, дендробатид бакалар жана эктодин цихлид балыктары. Жупталуу тутумундагы окшоштукка, экологиялык белгилерге жана эволюциялык айырмачылыкка байланыштуу биз гендердин нейрондук экспрессиясынын түзүлүшүндөгү окшоштукту мүнөздөп жатабыз. Экологияда окшоштук же кладдар ортосундагы айырмачылык мезгилинде ген экспрессиясынын окшоштугу түшүндүрүлбөсө да, нейрондук ген экспрессиясы бир эле мезгилде моногамикалык жана моногамиялык эмес жаныбарлардын эркектеринин арасында омурткалуулардын арасында бирдей өзгөрүп турду. Бир клетканын моногамалуу түрлөрүндө экспрессиясы жогорулаган же төмөндөгөн гендер башка клетканын моногамдык түрлөрүндө дагы жогорулаган же төмөндөгөн. Биздин изилдөөбүз омурткалуулардагы моногамиянын негизиндеги универсалдуу транскриптомикалык механизмдин далили.

Жаныбарлардын жупталуу тутумдары репродуктивдүү, ата-энелик жана агонисттик фенотиптердин топтому катары мүнөздөлүшү мүмкүн, алар жыныстык катнашына, ошондой эле жырткычтык коркунучу, ресурстардын бөлүштүрүлүшү жана көлөмү сыяктуу экологиялык факторлорго байланыштуу тыгыз байланышкан (жана атүгүл ичинде) түрлөрдүн арасында өтө өзгөрүлмө болот. мелдештин (23⇓-25). Мындай потенциалдуу ар түрдүүлүккө карабастан, окшош жупталуу тутумдары алыскы көптөгөн түрлөрдө сүрөттөлгөн. Мисалы, социалдык моногамия, адатта, жуптук байланыштын пайда болушу, аймактык коргонуунун жогорулашы жана көбүнчө эки тараптуу кам көрүүнүн мүнөзү менен мүнөздөлөт; социалдык жүрүм-турумдун бул топтому бир нече жолу өз алдынча өнүгүп келген (23, 26). Сүт эмүүчүлөрдө, канаттууларда жана балыктарда жупташтыруучу байланышты жана ата-энелик камкордукту сактоо аргинин вазопрессининин (AVP) жана окситоциндин (OT), ошондой эле алардын социалдык таандыктыгын жөнгө салууда кабылдагычтарынын ролу сакталгандыгын көрсөтөт (27⇓⇓⇓-31). Акыркы изилдөөлөр вариация жана мындай жолдордун эволюциясы жөнүндө биздин түшүнүктү өркүндөтүп, мисалы, жашоо тарыхындагы жеке адамдар арасындагы молекулярдык, транскриптомикалык жана эпигенетикалык өзгөрүүлөрдүн тарыхын түшүндүрүп берди (32). Моногамиянын негизиндеги геномдук масштабдагы нейромолекулярдык механизмдердин татаалдыгын мүнөздөөгө, анын ичинде жаңы талапкерлердин гендерин жана жолдорун аныктоого аз көңүл бурулган.

Жыйынтыктары жана талкуулоо

Биргелешкен жана кайталангыс үлгүлөр.

Ар бир клетканын ичинде биз түрлөрдүн жуптарынын ортосундагы ортологиялык гендик топторду (OGGs) салыштырдык (SI Тиркеме, S3 сүрөт). Биз бардык түрлөрдүн жуптарынын ортосундагы ортодогу айырмачылыктын бардыгы 1,979 OGG арасында нөлгө жакын экендигин аныктадык (SI Тиркеме, S3 сүрөтA). Кызыгы, эки ген түрүнүн ортосунда ген экспрессиясы эң аз өзгөрүлмө болгон (SI Тиркеме, S3 сүрөтB) бул, бул түрлөрдүн жупташкан жупташуу тутумдарынын башка клеткаларга караганда кыйла окшош экендиги менен түшүндүрүлөт (Анжир. 2). Тактап айтканда, экөө тең Anthus spinoletta жана Prunella modularis жуп байланыштарын түзө алышат (анчалык көп эмес болсо да) P. modularis) жана түздөн-түз аталык камкордук көргөзүү (Анжир. 2 жана SI Тиркеме, S1 жана S1 таблицалары). Клеткалар боюнча OGG экспрессиясынын ар кандай айырмачылыктарына карабастан, клетка менен байланышкан гендик онтология (GO) анализи клетка байланышын, сигнал кабылдагычтардын активдүүлүгүн жана мембрананын протеиндерин моногамия менен байланышкан экспресс менен туруктуу байланыштырган жогорку деңгээлдеги консервацияны көрсөттү (SI Тиркеме, S4 сүрөт).

Гендердин экспрессивдүү омурткалууларында эркек жана моногамалуу эмес түрлөрдүн эркектери ортосунда айырмаланып турат.

OGG экспрессивдүүлүгүнүн омурткалуулар арасындагы моногамдуу жана моногамдуу түрлөрүнүн ортосундагы шайкештикти баалоо үчүн, биз DESeq2 (33). Биз дифференциалдык OGG экспрессиясын бир нече жолу баалаганбыз, эволюциялык топтоолору менен сүт эмүүчүлөрдөн айырмаланып, моногамдык түрлөрү моногамиянын белгилүү түрлөрүнүн моногамиялары болгон (Анжир. 3). OGG экспрессиясындагы айырмачылыктар, негизинен, туура келет, айрыкча OGGлер арасында чоңураак айырмачылыктар бар (Анжир. 3). Мындан тышкары, көпчүлүк OGG багыттар боюнча шайкештикти сактайт. Мисалы, өркүндөтүлгөн экспрессти көрсөткөн көптөгөн OGG (позитивдүү журнал)2 бир эволюциялык топто (мисалы, сүт эмүүчүлөрдө) башка эволюциялык топтордо (Анжир. 3). Бул жыйынтыктар омурткалуулардын моногамдык түрлөрүнүн окшош жупташуу тутумдарына эволюциялык көзкарандысыз өтүшүнө карабастан, көп таралган ОГГлардын жалдангандыгын көрсөтүп турат. Изилдөөнүн эволюциялык алкагы кеңейип, анализге кыйла алыскы байланыштар кошулган сайын, азыраак OGGдин мааниси жоголуп баратат. Тактап айтканда, амниот түрлөрүнүн жуптары (сүт эмүүчүлөрдүн жана канаттуулардын түрлөрү) сүт эмүүчүлөрдүн түрлөрүнүн жуптары менен салыштырылганда, биз жогорудагы ОГГлардын чоң төмөндөшүн байкадык (Анжир. 3). Бул аныктама, сыягы, биздин канаттуулар түрү түгөйүндө байкалган экспрессиянын өзгөргөндүгүн чагылдырат (SI Тиркеме, S3 сүрөт). Кээ бир OGG үчүн жупталуу тутумунун байкалган таасири кененирээк таксономиялык масштабда аз болушу мүмкүн, бирок түрлөрдүн жуптарын кошуу статистикалык кубаттуулукту жогорулатат. Ошентип, жогоруда сүрөттөлгөн сүт эмүүчүлөр менен канаттуулардын салыштырмаларын эске албаганда, биздин босоголук деңгээлге жеткен ОГГлардын саны азайды (Анжир. 3).

Бардык түрлөрдүн жуптарын кошкондо, биз омурткалуулардагы моногамияга байланыштуу 123 OGG (6.2%) таптык (SI Тиркеме, S5 сүрөт). Талдоо жүргүзүүнүн бир деңгээлинде маанилүү болгон бир катар OGG диапазонунда башка мааниге ээ болбой жатабыз (Анжир. 3). Дифференциалдык экспрессияны аныктоо үчүн көптөгөн дифференциалдык талдоо ыкмалары, анын ичинде DESeq2, биологиялык репликалар арасындагы экспрессиялык өзгөрүүлөргө таянат. Биологиялык репликалар өтө өзгөрүлмө болгондо, мындай мамиле чектелген (34Бул жерде болгон сыяктуу, моногамиянын түрлүү спецификалык репликалары катарында ар түрдүү пилла түрлөрү камтылган. Эволюциялык аралыктан тышкары, бир катар биологиялык жана техникалык өзгөчөлүктөр биздин анализибизде ызы-чууну жаратышы мүмкүн (мисалы, түрлөрдүн ортосундагы экологиялык айырмачылык, кыртыштарды тандоо жана кезектөө учурунда техникалык өзгөрүү). Моногамдык түрлөрдүн орток транскриптомикалык мыйзам ченемдүүлүгүн аныктоо жана моногамдуу түрлөрдүн ортосундагы кайчылашуунун деңгээли статистикалык мааниге ээ экендигин аныктоо үчүн биз Rank-Rank гипергеометриялык кайчылаштыруу (RRHO) ыкмасын колдонобуз (34). Орнотулган айырмачылыктарды салыштыруу моногамдуу түрлөрдүн арасында оймо-чиймелерди бөлүштүрүүчү OGGлерди табууга мүмкүндүк берет, ал эми өркүндөө маанилери эволюциянын алыскы жээгинде окшош болушун талап кылбайт. Мындан тышкары, окшош туюнтмага ээ талапкерлерди аныктоонун ачык босогосун кармануунун ордуна, RRHO жылыш босогону колдонуп, билдирүү багытында координацияланган жылыштары бар талапкерлерди аныктайт.34) (Анжир. 4).

Бардык 1,979 OGG камтыган RRHO колдонуу менен, диагоналдык чектерде OGG кайчылашуусун байытабыз (б.а. бийик журналда)2 эки кладда тең моногамдуу жана моногамдуу эмес түрлөрдүн ортосундагы айырмачылыктар; Анжир. 4D). Эң негизгиси, биз бардык кладалардын бир түрдүү моногамдуу түрлөрүндө чагылдырылган OGGлердин байланган кагылышууларын таптык. Бардык салыштырууларда RRHO участокторунун ылдый жөнгө салынуучу (б.а. сол жакта) шайкеш квадранттарынын мааниси чоң (б.а. эң орчундуу квадрант −log дегенди билдирет)10 P мааниси), моногамалык омурткалуулардын ортосундагы жалпыга бирдей кол коюу белгиси (Анжир. 4 C жана D). Чакан журналда биз көбүнчө байытууну таппайбыз2 бүктөлүү айырмачылыктары бир нече учурларды кошпогондо (мисалы, бака жана дөңсөөлөр). Бул байкоо, кыязы, көпчүлүк OGG кичинекей эки жактуу айырмачылыктарды көрсөткөнүнө байланыштуу (бирок алар моногамияга байланыштуу жүрүм-турум үчүн маанилүү болушу мүмкүн). Таза клеткага тиешелүү же негизги клеткалык функцияларды аткарган гендердин тымызын өзгөрүлүшү ушул деңгээлдеги маанилүү окшоштуктарды жашырышы мүмкүн. RRHO ыкмасын чектөөнүн натыйжасы, бир аз айырмачылыктары бар OGG үчүн, байытууга жетишүү үчүн, OGGлерде ири кайчылашуу талап кылынат. Кызыктуусу, клейди салыштыруу, анын ичинде бака диагоналдык эмес (б.а. нааразы) аймактарда эң байытуу болуп саналат. Тактап айтканда, моногамикалык бакалардын көбөйүшүнүн жалпы тенденциясына шайкеш келген башка ортодогу ген топтору моногамикалык бакалардын көбөйүшүн байкашкан (SI Тиркеме, S3 сүрөтA). Бака менен болгон монополияга байланышкан туюнтма үлгүлөрү башка кладаларга караганда эң аз окшош экендигин божомолдор менен болгон жуп мамилелеринде айкын көрсөтүп турат. Канаттууларды, анын ичинде канаттууларды салыштыруу, OGG бири-бирин кайталоодо эң аз байытылгандыгын көрсөтөт, балким, биздин изилдөөбүздөгү канаттуулардын жупталуу тутумдары бири-бирине салыштырмалуу окшош, себеби жогоруда талкууланган. Маанилүү, канаттуулар дагы эле диагоналдык чектерде OGG бири-бирине дал келүүсүн бирдей бөлүшөт жана жогорку дифференциалдык билдирүүсү бар OGG'деги өркүндүн үлгүлөрүндө күчтүү окшоштуктарды көрсөтүшөт (мисалы, Төмөнкү сол жана Top Right канаттууларга каршы чычкандар жана канаттууларга каршы балыктар, Анжир. 4D). ОГГны байытуунун жалпысынан жана өзгөчө үлгүлөрүндөгү кладдардагы өзгөрүү моногамиянын түргө мүнөздүү белгилериндеги кладдар ортосундагы айырманы чагылдырышы мүмкүн. Мисалы, эркек ата-эненин камкордугу уулуу бака клеткасында чоңойгон (35). Ошентип, фокалдык түрдөгү моногамия менен байланышкан эки тараптуу кам көрүү бул жерде каралып чыккан башка кладалардай эле, аялдык көз караштагы камкордукка караганда, биздин бака клеткасындагы эркектерге берилген камкордуктан келип чыккан. Келечектеги анализдер, анын ичинде моногамиянын кээ бир репродуктивдүү, ата-энелик жана агонистикалык фенотиптерин чагылдырган түрлөрдү, ошондой эле анатомиялык багытталган анализдер, бул өзгөрүүнү түшүрүп, ген экспрессиясынын үлгүлөрүн айкыныраак кыймыл-аракет фенотиптери менен бириктирүүгө мүмкүндүк берет.

Моногамиянын негизиндеги талапкерлердин табылышы.

Биз талапкерлердин 24 генин аныктадык (алар дифференциалдуу билдирүүдө жана RRHO анализинде өз-өзүнчө), омурткалуу жактагы жупталуу системалары менен байланышкан (Анжир. 5, SI Тиркеме, Таблица S7 жана Dataset S1). Кызыктуусу, нематоддордун өнүгүшү, клеткалык сигнал берүү, синаптик активдүүлүк (мисалы, GRM6), үйрөнүү жана эс тутум (мисалы, DSCAM) жана таанып-билүү функциялары менен байланышкан гендер моногамдык эркектерде жөнгө салынат. Тескерисинче, ген транскрипциясына катышкан гендер (мисалы, РНК Полимераза II менен байланышкан гендер) жана AMPA рецепторлорунун жөнгө салынышы төмөндөтүлөт. Бул айырмачылыктар моногамдуу эркектердеги транскрипциялык жөнгө салуунун күчөтүлүшүнө байланыштуу нервдик ийкемдүүлүктүн жогорулагандыгын көрсөтүшү мүмкүн. Талапкерлердин гендеринин, анын ичинде нейролокализациянын сыпаттамасы дагы кененирээк талкууланат SI Тиркеме, Таблица S7 жана Dataset S1. Дифференциалдык экспресстик талдоого (DESeq2 жана RRHO) эки ыкма менен аныкталган талапкердин көпчүлүк OGGлери моногамдык эркектерде айкалышуунун жогорулагандыгын көрсөтүп жатса да, эң көп кайчылаш байытуу OGGде моногамиялык эркектерде көрүнүштүн төмөндөшү менен коштолот (Анжир. 4). Көпчүлүк OGGлер босого көз каранды DESeq2 анализинен аман өтүшпөйт жана натыйжада биздин ишенимдүү талапкерлердин тизмесинен алынып салынат. Моногамия менен байланышкан салттуу талапкерлер (мисалы, AVP жана OT жана алардын рецепторлору) моногамдуу эркектерде туруктуу көрсөтүлгөндөрдүн арасынан аныкталган эмес, ал эми кээ бир түрлөрү RNA-seq анализинде аныкталган эмес (SI Тиркеме, S6 сүрөт). Бул ачылыш бул салттуу талапкерлердин моногамияга байланыштуу жүрүм-турумун жөнгө салууда эч кандай мааниге ээ эмес экендигин көрсөтпөйт, тескерисинче, алардын ролдору (бизде моногамдык түрлөрдүн арасында сакталып калса), биз көрсөткөн нейроанатомиялык масштабда ырааттуу чагылдырылбайт. тандалып.

Филогенетикалык жана экологиялык корреляттар.

Дифференциалдык экспресс талдоо аркылуу моногамияга байланыштуу OGG экспрессиясынын биргелешкен ачылышы (Анжир. 3) жана гендин экспрессиялык рангынын корреляциясын байытуу (Анжир. 4) омурткалуу клеткалардагы моногамдык жупташуу тутумдарынын жүрүм-турумдук көрүнүшүнүн астындагы ген экспрессиясынын жалпы үлгүлөрүнүн гипотезасын колдойт. Бирок кладдар ортосунда бөлүштүрүлгөн тарыхый жана экологиялык өзгөчөлүктөр нейрондук генди чагылдырган үлгүлөрдөгү окшоштукка таасир этиши мүмкүн. Дизайн боюнча, түрлөрдүн жуптары экологиялык өзгөчөлүктөрүнө салыштырмалуу окшош болушкан, биринчи кезекте алардын жупташуу тутумдарынын өзгөчөлүктөрү менен айырмаланган (Анжир. 2 жана SI Тиркеме, S1 жана S1 жана S2 таблицалары). Ошентип, түрлөрдүн жуптарын каптал түрүндө тандоо экологиялык факторлорду минималдаштырышы керек; Бирок гендин окшоштугунда дагы бир нече фактор роль ойношу мүмкүн. Биринчиден, түрлөрдүн жуптары ортосундагы айырмачылык убактысы ∼2.5 жана 34 миллион жыл аралыгында өзгөрөт (36). Тарыхый күтүлбөгөн жагдай эволюция жолун бир кыйла тыгыз байланыштыргандыктан, эволюция тарыхына байланыштуу тыгыз байланышкан түрлөр окшош болушу мүмкүн. Экинчиден, жупталуу системаларын иштеп чыгуу түрлөрдүн арасында бир түрдүү болот, анткени моногамдуу жана моногамдуу эмес жупталуу системаларынын салыштырмалуу кладдары боюнча эквиваленттүү эмес. Мисалы, бул изилдөөгө киргизилген куштардын түрлөрү жупталуу тутумунун бир катар мүнөздөмөлөрүн бөлүшөт (Анжир. 2). Гендердин экспрессиясынын айырмачылыгында эволюциялык тарыхтын жана жупталуу тутумунун ролун баалоо үчүн, биз эволюциялык жана жупталуу тутумунун аралыктарын бардык түрлөрдүн жуптары үчүн OGG экспресс аралыкына салыштырдык. Эволюциялык аралык же жупташуу тутумунун аралыктары түрлөрдүн жуптарынын ортосундагы OGG экспрессиясынын айырмачылыгына байланыштуу эмес (Анжир. 6 A жана B). Белгилей кетчү нерсе, канаттуулар менен бакалар өздөрүнүн транскриптомдору боюнча эң окшош экендигин жана жупталуу тутумунун мүнөздөмөлөрүндө эң окшош экендигин, ошол эле учурда бардык түрлөрдүн жуптарын (канаттуулар: 29) Мя; бакалар: 34.2 Мя; Анжир. 1 жана SI Тиркеме, S3 сүрөт). Филогенезге байланыштуу экспрессия жана жупташуу тутумунун вариациясы алынып салынганда (филогенетикалык көзкарандысыз контрасттарды колдонуп) нейрон генинин экспрессиясы менен жупталуу тутумунун ортосунда олуттуу байланыш бар.Анжир. 6C). Филогенетикалык тектештик жана экологиялык атрибуттар комплекстүү түрдө түрлөрдүн арасындагы нейрограмма окшоштугуна таасирин тийгизсе да, бул байкоолор биргелешип мээдеги гендин окшоштугун айдап чыгууда жупталуу системасы үчүн маанилүү ролду көрсөтөт.

Сүрөт. 2.

Сүрөт. 2.

Жупталуу системасы жана фокалдык моногамдык жана моногамиялык эмес жуптардын ортосундагы экологиялык аралык. Түрлөрдүн жуптары ортосундагы айырмачылык түстүн интенсивдүүлүгү менен белгиленет. Кызгылт сары түстө бир эле түрдөгү моногамдык түрлөрдө чагылдырылган (же жакшыраак иштелип чыккан) мүнөздөмөлөр көрсөтүлгөн. Кызгылт каармандар бир түрдүү эмес түрлөрдө чагылдырылат (же жакшыраак иштелип чыгат). Ак мүнөз түрлөрдүн түгөйүндө мүнөздүн абалы окшош экендигин билдирет. Бул изилдөөдө бардык түрлөр үчүн профилдер келтирилген SI Тиркеме, S1 жана S1 жана S2 таблицалары.

Сүрөт. 3.

Сүрөт. 3.

Вулкан участоктору, ар кандай топуракта аныкталган 1,979 OGG кайсынысы ар башка таксономиялык деңгээлде айырмаланат (сүт эмүүчүлөр гана, сүт эмүүчүлөр жана канаттуулар, тетраподдор, баардык кладдар). Дифференциалдык туюнтма анализи DESeq2 жүргүзүлүп, анда моногамиялык (моногамиялык эмес) түрлөрү моногамиянын (моногамиянын) өзгөчө репликалары катарына кошулган. Кара тегеректер эч кандай таксономикалык деңгээлде дифференциалдык маанини көрсөтпөйт. Айрым эволюциялык топтордо дифференциалдык экспресс анализ жүргүзүлдү: сүт эмүүчүлөр (399 OGG бир эле мезгилде жөнгө салынат), сүт эмүүчүлөр жана канаттуулар (155 OGGs), тетраподдор (б.а. бакаларды кошо алганда; 126 OGGs) жана бардык төрт топтогу омурткалар (балыктарды кошо алганда); 123 OGGs). OGGлер –лог10 P мааниси> 1 жана журнал2 тиешелүүлүгүнө жараша fold1ден (көк) же 1ден (кызылдан) чоң болгон бүктөм айырмасы белгиленди. Ар бир айлана канчалык караңгы болсо, ошончолук ал бир-бирине төп келген OGG формуласы болуп саналат. Анализге көбүрөөк санжыралар кошулган сайын, бир анализде мааниси бар OGG экинчисинин маанисинин босогосунан төмөн түшөт; Бирок, түрлөрдүн жуптарын кошуу статистикалык кубаттуулукту ар түрдүү репликалардын көбөйүшүнө байланыштуу жогорулатат; Ошентип, эволюциялык-субгруппалык сүт эмүүчүлөрдөн башка, сүт эмүүчүлөр менен канаттууларга салыштырмалуу, биздин босогодо турган ОГГлардын саны азайды.

Сүрөт. 4.

Сүрөт. 4.

Моногамияга байланыштуу журналдын RRHO2 Бардык кладдар боюнча аныкталган 1,979 OGG үчүн гендин айырмачылыктары. Тизилген журнал2 Моногамдык эмес, моногамдык эмес мРНК деңгээлдериндеги айырмачылыктар 44 топтогу OGGдин эң төмөндөн жөнгө салынуучудан баштап, ар бир кладдын моногамдык түрлөрүндө эң жөнгө салына турган топтомуна бөлүнөт. OGG орнотулган кайчылашуулугун ар бир кладда ылдый жана өйдө жөнгө салуу ортосундагы өткөөл менен аныкталган төрт квадрантта салыштыруу жүргүзүлөт (Aсызыктуу сызыктар). Матрицанын ар бир пикселинин түсү (A, кызыл квадрат) OGG дифференциалдык билдирүүнүн босогосунда жана андан жогору болгон кайчылаштырылган байытууну билдирет (B) жана терс журнал катары көрсөтүлөт10 Бенжамини – Екутиели-оңдолгон P Наркы. Байытуунун мааниси байытуунун жогорулагандыгын көрсөткөн жылуу түстөр менен пикселдин түсү менен белгиленет. Класстарды жуп жуптары менен салыштыруу үчүн, OGG топтолушунун кубаттуулугу эң орчундуу квадранттын орточо терс журнал катары баяндалат.10 оңдолгон (C). Орточо, медианалык жана максималдуу P Ар бир квадрант үчүн маанилер берилген SI Тиркеме, Таблица S6. Силуэттердин жанындагы жебелер A (биринчи) жана B (экинчи) урпактарынын багытын көрсөтөт (C). RRHO анализдери ар бир жуп баскыч менен салыштыруу үчүн көрсөтүлгөн (D). Терс журнал10 тарабынан оңдолгон P түстүн масштабы ар кандай участоктордо өзгөрүлүп турат. Сызыктуу сызыктар ар бир клетканын моногамдуу түрлөрүндө ылдыйдан ылдыйга чейин жөнгө салууга чейинки абалды көрсөтөт. Түс масштабындагы жебелер түстү көрсөтөт P мааниси = 0.05.

Сүрөт. 5.

Сүрөт. 5.

Моногамияга талапкер гендеринин табылышы (OGGs). Моногамия менен көп байланышы бар OGGлерди аныктоого катуу жана консервативдүү мамиле жасоо үчүн, берилген ген / OGG эки тандоо критерийлерин аткарышы керек. Биринчиден, OGG ± 1 журналын көрсөтүшү керек болчу2 кеминде төрт катмардагы моногамдык жана моногамиялык түрлөрдүн ортосундагы айырмачылык. Экинчиден, OGG 6 RRHO анализинин 10сында эң жогору же эң жөнгө салынуучу болушу керек (көрсөтүлгөндөй) Анжир. 4); ошондо дагы бир OGG беш санжыранын, жок дегенде, төрттөн биринде шайкеш чагылдырылышы керек болчу. Кайсы клет (бар болсо) ар кандай OGG үчүн өзгөрүшү мүмкүн. Бул талапкерлердин салыштырмалуу билдирүү деңгээли жылуулук картасында көрсөтүлгөн. Көңүл бургула, бир дагы клетка бири-бирине караганда көп учурда карама-каршы келет (SI Тиркеме, Таблица S7).

Сүрөт. 6.

Сүрөт. 6.

Эволюциялык айырмачылык (A) жана жупталуу тутумунун мүнөздөмөлөрүндөгү айырмачылык (B) клеткалардын чегинде генди көрсөтүү аралыкына туура келбейт (Spearman ρ = −0.8, P = 0.95; ρ = 0.7, P = 0.12, тиешелүүлүгүнө жараша). Бирок филогенияга байланыштуу туюнтма вариация алынып салынганда (филогенетикалык жактан көзкарандысыз контрасттарды колдонуу менен)C), биз жупталуу тутуму менен клеткалардын арасындагы нейрондук гендин ортосундагы олуттуу байланышты табабыз (сызыктуу регрессия) r2 = 0.6, t = 3.8, P = 0.005). Жупталуу тутумунун упайы жупталуу тутумунун мүнөздөмөлөрүнүн суммасы катары эсептелген, мында чоң маанилер кыйла иштелип чыккан моногамияны көрсөтөт (б.а. эркектер жуп байланыштарын түзүшөт, түз жана кыйыр ата-энелик камкордук көрсөтүшөт, жогорку аймактык деңгээлде болушат жана сексуалдык диморфиялык мааниге ээ эмес; Анжир. 2 жана SI Тиркеме, S1 жана S1 жана S2 таблицалары). Дифференциалдуу билдирилген (± 1 журналда) негизги компоненттик талдоо жүргүзүлдү2 кеминде бир катмардан бүктөлгөн айырма) жана өзгөрүлмө (жогорку бардык түрлөрү боюнча айырмачылыктардын квартилдери) OGGлер. 401 OGGдин бул чакан бөлүгү OGG-деги айырмачылык үчүн да колдонулган A жана B. көрүү SI Тиркеме.

Корутунду.

Салыштырма транскриптомика ыкмасын колдонуп, төрт чоң клеткадан турган моногамдуу жупташуу тутумуна көзкарандысыз өтүү нейрон генинин экспрессивдик үлгүлөрү менен байланыштуубу деп сурадык. Алыс ара байланышкан капталдардагы социалдык жүрүм-турумдун орток механикалык негизи нейрохимиялык гендердин мээ регионго мүнөздүү чагылдырылышы омурткалардын алдыңкы жана орто мээдеги Социалдык чечимдерди кабыл алуу тармагында өзгөчө сакталган (37). Мындан ары нейрондук гендин экспрессивдүүлүгүн аарылар, агрессиялар жана чычкандардагы агрессивдүү жүрүм-турумду салыштыруу (4түрлөрү боюнча социалдык жүрүм-турумдун кең окшоштуктары байыркы гений модулдарын өз алдынча жалдоонун натыйжасында келип чыгышы мүмкүн деген гипотезаны колдоо. Бирок, бул анализдин натыйжасы чычкандар менен стеклэктерден алынган мээ аймактарындагы аарылардын мээсиндеги гомологияны аныктоонун татаалдыгы менен чектелди. Буга чейин экологиялык эквиваленттүү мээнин бөлүнүшүн салыштыруу жана бир-биринен айырмаланып турган моногамдык түрлөрдөгү транскриптомдук окшоштукка филогенетикалык жактан негизделген баа берүү аркылуу социалдык жүрүм-турумдун генетикалык экспресс изилдөөсүн кеңейтебиз. Андан тышкары, жупталуу тутумунун мүнөздөмөлөрүн жана экологиялык атрибуттарын кылдаттык менен изилдеп, филогенетикалык жактан көзкарандысыздыкты эсепке алуу менен, омурткалуулардын моногамиясына көзкарандысыз эволюциялык өтүүдө пайда болгон транскриптомикалык окшоштуктардын келип чыгышына негизделген альтернативдүү гипотезаларды сынайбыз. Биздин алдыбыздагы жана ортоңку мээлерибизден алынган үлгүлөр жупталуу тутумунун нейролекулярдык коррелелине орой мамиле жасаса да, бул ыкма мээ региондорунун кээде туруктуу гомологиясын эске алуу менен мүмкүн болуучу көйгөйлөрдү четке кагып, ар кандай сынамыктардын ырааттуу үлгүлөрүн камсыз кылат.

Биздин анализибиз алыскы бир-бирине байланыштуу омурткалуу клеткалардын моногамдуу түрлөрү гендик экспрессиялардын окшоштуктарын, айрыкча, бир түрдүү моногамдык түрлөрдө өтө айырмаланган OGGлерде, күтүлбөгөндөй күтүлүп жаткандай. Бул клеткаларда биргелешкен OGG билдирүүсү моногамдуу жупташуу тутумдары менен коштолуучу репродуктивдүү, ата-энелик жана агонисттик жүрүм-турум фенотиптеринин терең гомологдук механизмдеринин далили болуп саналат. Биздин ачылыш изилдөөбүздүн өсүп келе жаткан организмине өз алдынча эволюцияланган морфологиялык жана физиологиялык фенотиптердин биргелешкен механисттик негиздерин айгинелейт (12). Бул эмгекте моногамия сыяктуу татаал жүрүм-турум фенотиптеринин көзкарандысыз эволюциясы параллелдик жана конвергенттүү процесстердин натыйжасы катары жакшы түшүнүлүп, терең негизделген ген тармактарын параллелдүү жалдоо жана кээ бир механизмдер де нового эволюциялашкан. (38⇓-40). Концептуалдык жылыш салыштырмалуу «омикалык» ыкмаларды колдонуп, татаал коомдук жүрүм-турумдун эволюциясынын механикалык гипотезаларын сыноодо прогресске жетишүү үчүн өтө маанилүү деп ырастайбыз (морфологиялык белгилер боюнча сунушталган); 41). Далилдердин көп болушу эволюциялык диверсификациянын байыркы, терең гомологдук молекулярдык жана өнүгүү жолдорун колдогондуктан, эволюциянын келип чыгышына карабастан, окшош фенотиптердин механикалык окшоштуктары болушу керек. Ушул модель боюнча, окшош жүрүм-турум фенотиптерине көз карандысыз эволюциялык өтүүлөрдүн натыйжасында ушул сыяктуу механизмдерди бөлүшүү күтүлүүдө.i) жаңы белгилердин орток, ата-баба физиологиялык процесстери жана алар менен байланышкан өнүгүү жана генетикалык жолдору менен интеграциялоо; жана (iiушул сыяктуу фенотиптердин эволюциясында организмдер башынан өткөрүп жаткан физиологияга окшош кыйынчылыктар. Эволюциялык айырмаланган татаал жүрүм-турумдун транскриптомикалык окшоштуктарынын мурунку эсептери ген экспрессиясынын окшоштуктарына багытталган болсо, бул концептуалдык мамиле татаал белгилер эволюциясынын механикалык негизин түшүнүү үчүн ген экспрессиясынын окшоштуктарын жана айырмачылыктарын колдонууга шарт түзөт. Жалпысынан, биздин натыйжалар көрсөткөндөй, омурткалуу клеткалар аркылуу моногамдуу жупташуу тутумуна көз карандысыз эволюциялык өтүү, эркектин жана ортоңку мээдеги ген экспрессиясынын өзгөрүшү менен коштолот. Агрессия менен байланышкан транскриптомикалык механизмдердин ачылышы менен айкалышкан (4), куштардын жана адамдардын сүйлөө жөндөмүн үйрөнгөн (5) жана гименоптерада кастыкты дифференциялоо (7), бул жерде келтирилген натыйжалар жүрүм-турум түрдүүлүгүнүн кандайча өнүгүп жаткандыгы жөнүндө түшүнүгүбүздү бир кыйла кеңейтти.

Материалдар жана ыкмалар

Жаныбарларды багуу жана пайдалануу боюнча бардык практикалар Остиндеги Техас университети тарабынан бекитилген; Мемфис университети; Калифорния университети, Дэвис; Бат университети; Чыгыш Каролина Университети; жана Тулан университети. Моногамдуу жупташтыруу тутуму менен байланышкан нейрондук гендик экспрессивдүүлүктү аныктоо жана кросс-клад анализибизде кладга мүнөздүү мыйзам ченемдүүлүгүн чектөө үчүн биз тыгыз моногамдык жана моногамикалык эмес түрлөрдүн репродуктивдүү эркектериндеги нейрон транскриптомикалык профилдерди кезектештирип, салыштырып көрдүк. омурткалуулардын класстары (n = Бир түргө 3 бассейинден турган адам): Маммалиа (Microtus ochrogaster каршы Microtus pennsylvanicus жана Peromyscus californicus каршы Peromyscus maniculatus); Рептилия – Авес (A. spinoletta каршы P. modularis); Амфибия (Ранитомея туурагыч каршы Oophaga pumilio); жана Actinopterygii (Xenotilapia spilotera каршы Xenotilapia ornatipinnis) (Анжир. 1). Бул басылманын ырааттуулугунун бардык маалыматтары Улуттук Биотехнология Маалымат Ген Экспрессивдүү Omnibus Борборуна сакталган (42). Үлгүлөрдү чогултуу процедуралары кененирээк баяндалган SI Тиркеме. Бул тандалган түрлөрдүн жуптары жупталуу тутумунун мүнөздөмөлөрү боюнча айырмаланат, бирок башка экологиялык атрибуттарда окшош (Анжир. 2; SI Тиркеме, S1 жана S1 жана S2 таблицалары; жана булак. 43).

Гендердин экспрессивдүүлүгүн алыскы түрлөрдүн салыштырма талдоосуна байланышкан көйгөйлөрдүн бири гомолог ткандарды жана салыштырылуучу ортологиялык гендерди аныктоо болуп саналат. Мээ чөлкөмүндөгү гомологияны алыскы бир-бирине байланыштуу чектөөлөр үчүн, артқы жана ортоңку мээ кыртыштарынан РНК бөлүп алдык. Транскриптомикалык анализде салыштырмалуулукту өркүндөтүү үчүн, гендерди эмес, OGGлерди чагылдырууга көңүл бурабыз. 10 түрүбүздүн аралыгында OrthoMCL программалык топтомун колдонуп, 1,979 OGG аныкталды.44). Биздин көңүл моногамияга байланыштуу сөз айкаштарын аныктоого бурулду. Ошентип, OGGде бирден ашык ген бар болсо (SI Тиркеме, Таблица S4; добуштар: 588, 30.0%; чычкандар: 536, 27%; канаттуулар: 320, 16%; бакалар: 228, 12%; балыктар: 747, 38%), эң жогорку журнал менен ген2 анализдин калган бөлүгү үчүн моногамдык жана моногамиялык эмес түрлөрдүн жуптары ортосундагы айырма колдонулган (булакта). 4). Бир эле OGGдеги гендер, негизинен, айырмачылыктын багыты боюнча шайкеш келишкен (SI Тиркеме, S2 жана S4 таблицалары). Ошентип, эң эле дифференцияланган паралогду тандоо экспрессиялык мүнөздөгү жалпы окшоштукту жокко чыгарган жок жана талапкер гендерин ылдый талдоого мүмкүндүк берди. Ошентип, ар бир OGG жана ар бир клетка үчүн өкүл болуп ген катары моногамикалык жана моногамиялык эмес түрлөрдүн ортосундагы айырмачылыктын эң чоң айырмачылыгы аныкталды (Dataset S2 жана булак. 45). Кыскартуу үчүн, биз бул өкүл генинин экспрессиясын OGG өрнөгү деп атайбыз.

Acknowledgments

Изилдөөгө жардам бергендиги үчүн А.Балл, Р. Харрис жана Р.Карктарга рахмат; А. Баттенхаус, Б. Гёц жана Э. Ортего (Эсептөөчү биология жана биоинформатика борбору, Остиндеги Техас университети), Джордан, жана Техас Технологиялык эсептөө борбору (Остин университети); жана Д. Крюсти жана HAH лабораториясынын мүчөлөрүн ушул кол жазманын мурунку версиялары боюнча талкуулоо жана пайдалуу пикирлер үчүн. Бул иш Альфред П. Слоан Фонду тарабынан колдоого алынган (BR-4900); NSF IOS-1354942, IOS-1501704 жана IOS-1601734 (HAH чейин) гранттары; NIH Грант R01 MH85069-S2 (BCT чейин); жана Жанос Боляи Венгр Илимдер Академиясынын изилдөө стипендиясы (P.P. чейин).

Шилтемелер

  • Автордук салымдар: RLY, LAO, and HAH иштелип чыккан изилдөө; RLY, MHF, NFO-P., VNO, SMP, P.P., CLR-Z., KS, TS, BCT, AOU, GZ, LAO, HAH изилдөө жүргүзүшкөн; RLY, LAO жана HAH маалыматтарды талдап чыгышты; жана RLY жана HAH кагаз жазган.

  • Авторлор кызыкчылыктардын кагылышуусу жок экендигин билдиришти

  • Бул макалада PNAS Түздөн-түз берүү болуп саналат.

  • Маалыматтарды жайгаштыруу: Бул басылманын бардык ырааттуулугу маалыматтары Улуттук Биотехнологиялык Маалымат Борборунда сакталды. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo (Суперсерия GSE123301, кошулуу nos. GSM3499527-GSM3499536). Бардык метадайындар жана протоколдор / сценарийлер Texas Data Repository сайтында жеткиликтүү (https://dataverse.tdl.org/dataverse/monogamy).

  • Бул макалада онлайн маалыматты колдоо бар www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1813775116/-/DCSupplemental.

Астында жарыяланган PNAS лицензиясы.