גן-על

גֵן-על הוא אזור בכרומוזום שכולל מספר גנים סמוכים זה לזה שעוברים בתורשה כיחידה אחת, מפני שבאזור הזה מתרחש הרבה פחות שחלוף (רקומבינציה) ממה שניתן היה לצפות בדרך כלל, כלומר, מדובר בגנים שיש ביניהם תאחיזה חזקה. ייתכן שהגנים הללו התקבצו יחד כתוצאה מסידור מחדש של הגנום. אזור של גן-על יכול להכיל מספר קטן של גנים שקשורים זה לזה פונקציונלית, וכולם משתתפים ותורמים משמעותית ליצירתו של פנוטיפ מסוים. לגני-על יש השפעות באזורים של גנים לא מקודדים (Cis-regulatory element) שמבצעים בקרת גנים, עקב מספר לוקוסים שעשויים להיות בתוך גן, או בתוך אזור בודד שמבצע בקרת גנים, ועקב תאחיזה הדוקה. הם פולימורפיים (רבי צורות), כלומר – וריאנטים שונים של גני-על מקודדים גנים באופן שונה, כך שנוצרים פנוטיפים שונים. גני-על קלאסיים כוללים כרומוזומי מין רבים, למשל הלוקוס של פרחי הטרוסטיליה של בכור אביב מצוי, והלוקוס השולט בפולימורפיזם שנראה בחקיינות בטסיאנית בפרפרי פפיליו ממנון (Papilio memnon). גני-על שהתגלו לאחרונה הם פנוטיפים מורכבים שאחראים על וריאציות של צבע בדרור לבן-גרון (אנ'). גן-על של בכור אביב: לווריאנטים הצורניים של בכור אביב יש השפעה על התאימות הגנטית (זיווג של עֱלִי מדגם pin ואבקה מדגם thrum, או להפך, הוא מוצלח, בעוד שזיווג של pin ו-pin, ו-thrum ו-thrum הוא מוצלח רק לעיתים רחוקות בגלל אי-סבילות עצמית בהאבקה). הווריאנטים הצורניים נבדלים גם באורך העלי, בגובה האבקנים בתוך עלי הכותרת העשויים כצינור, בגודל גרגרי האבקה, ובגודל הפפילה (בליטה דמוית פטמה) על צלקת העלי. כל אחת מההשפעות הללו נשלטת על ידי לוקוס שונה באותו גן-על, אך לעיתים מוצאים רקומביננטים שמשלבים בין התכונות של דגם "pin" ודגם "thrum". השימוש המוקדם ביותר במונח "גן-על" הוא כנראה במאמר מאת א' ארנסט (1936) בכתב העת Archiv der Julius Klaus-Stiftung für Vererbungsforschung, Sozialanthropologie und Rassenhygiene. בעבר, ההשערה הרווחת הייתה שגני-על התפתחו מגנים בתאחיזה פחות הדוקה, שהתקבצו יחד כתוצאה מסידור מחדש של כרומוזום אחד או יותר, או באמצעות שחלוף מופחת – ושכיחותם של השינויים הללו גדלה עקב ברירה טבעית לטובת פנוטיפים מסוימים, רבי-לוקוסים. למשל, בגני-על של חקיינות בטסיאנית במינים כמו פרפרי פפיליו ממנון, גנים נדרשים להשפיע על צבע הכנף האחורית, הכנף הקדמית, והגוף, וגם על קיומה או היעדרה של תוספת ארוכה בקצה הכנף האחורית (ה"זנבות" של פרפרי זנב הסנונית). הטענה שגני-העל נוצרו מהתקבצות של גנים התבססה בתחילה על עבודתו של נאבורס (Nabours) על פולימורפיזם של צבע ודפוס במשפחה מסוימת של חגבים (Tetrigidae). בחגב מסוים (מסוג Acridium arenosum) דפוסי הצבע נשלטים על ידי שלושה עשר גנים על אותו כרומוזום, שעוברים שחלוף בקלות. הם מופיעים גם בחגב אחר (מסוג Apotettix eurycephalus), שאצלו הם יוצרים שתי קבוצות בעלות תאחיזה הדוקה, שיש ביניהן 7% שחלוף. בחגב מסוג אחר (Paratettix texanus) נראה שיש דיכוי מוחלט של השחלוף בין 24 מתוך 25 הגנים של דפוס הצבע, דיכוי שניתן להבחין בו על ידי השוואת ההשפעות של הגנים הללו לאלו שנמצאו במינים אחרים. החוקרים דרלינגטון (אנ') ו-Mather (אנ') ניתחו את הנתונים של נאבורס, והסיקו שהגנים האחראים לצורות של החגב Paratettix texanus התקבצו בהדרגה לקבוצה הפועלת כמנגנון של מתג יחיד. ההסבר הזה התקבל על ידי א' ב' פורד (אנ') ושולב בהסבריו על גנטיקה אקולוגית. תהליך זה עשוי לכלול דיכוי של שחלוף, טרנסלוקציה של שברי כרומוזומים ואולי לעיתים גם שכפול קומפלמנטי. כבר שנים רבות ידוע שניתן לדכא שחלוף על ידי סלקציה; דטלפסן ורוברטס הצליחו להפחית את השחלוף בין הלוקוסים של עיניים לבנות (w) וכנפיים מיניאטוריות (m) ב-Drosophila melanogaster מהשיעור הרגיל של 36% ל-6% בשושלת אחת ול-0.6% בשושלת אחרת. המחלוקת בנוגע לאופן היווצרותם של גני-העל נטתה להמתקד בשאלה הבאה: האם זה ייתכן שהגנים המרכיבים גן-על הגיעו מכרומוזומים נפרדים, בעקבות ארגון מחדש של הגנום, או שמא זה הכרחי שהם יימצאו מלכתחילה באותו כרומוזום? מדענים רבים כיום סבורים שהאפשרות השנייה היא הנכונה, כי בהתחלה יש צורך במידה מסוימת של תאחיזה לא שוויונית כדי שהברירה הטבעית תוביל לתפוצה רבה יותר של תאחיזה הדוקה יותר, ותאחיזה לא שוויונית דורשת שיתקיימו עוד קודם לכן פולימורפיזמים באמצעות תהליך אחר, כמו ברירה טבעית שמעדיפה שילובי גנים. אם התאחיזה בין הגנים חלשה, סביר להניח שההפלוטיפ המועיל הנדיר יותר יגווע, מה שיוביל לאובדן הפולימורפיזם בלוקוס השני. ולכן טוענים רוב המדענים, בעקבות טרנר (J.R.G. Turner), שגני-על התפתחו אין סיטו (כלומר, הגנים המרכיבים אותם היו מלכתחילה באותו מקום) עקב ברירה טבעית שבה שרדו תכונות מתואמות ואפיסטטיות, שרק במקרה הברירה הטבעית יכלה לפעול עליהן כיחידה אחת בזכות קיומם של לוקוסים מתאימים שנמצאים בתאחיזה הדוקה לווריאנט המקורי. טרנר קרא לזה "השערת מִסְנֶנֶת" (sieve – נׇפׇה), ובעקבותיו ההשערה נקראת "השערת המסננת של טרנר". מיינרד סמית' (אנ') הסכים עם דעה זו אך השאלה לא הוכרעה באופן סופי. הבעיה קשורה לשאלה גדולה עוד יותר, האבולוציה של יכולת ההתפתחות (evolvability). סידור מחדש של חלקים בגנום, למשל היפוך של מקטע מסוים בתוך כרומוזום (inversion), יכול לדכא שחלוף. דיכוי השחלוף מוביל להצטברות של רצפים חוזרים (כולל התפשטות ניוונית) בשלבים המוקדמים בהתפתחותו של גן-על (לדוגמה, בנמלת האש ובפפאיה), ולשינויים בביטוי הגנים (לדוגמה, בנמלת האש ובפטריית האבקנים anther smut). קומפלקס של גנים, לעומת זאת, הוא קבוצה של גנים שנמצאים בתאחיזה הדוקה זה עם זה, קבוצה שלרוב נוצרת באמצעות שכפול גנים (ומכונה "שכפול טנדם" אם העותקים המשוכפלים נשארים זה לצד זה). בקומפלקס של גנים, לכל גן יש תפקוד דומה שרק השתנה במקצת. לדוגמה, אזור ה-MHC הוא קומפלקס של גנים בתאחיזה הדוקה שכולם פועלים במערכת החיסון, אך לא נטען שהוא גן-על, אף על פי שסביר להניח שלגנים המרכיבים אותו יש השפעות אפיסטטיות זה על זה והם נמצאים בתאחיזה לא שוויונית בולטת, בין השאר בגלל הברירה הטבעית. Berdan EL, Flatt T, Kozak GM, Lotterhos KE, Wielstra B. 2022 Genomic architecture of supergenes: connecting form and function. Phil. Trans. R. Soc. B 377: 20210192 www.cbc.yale.edu/old/cce/papers/HomNat/homnat.html – אבולוציה של מודולריות Arnold, Carrie (21 בנובמבר 2022). "An Evolutionary Magic Trick Is Popping Up Everywhere - Supergenes' bend the rules of evolution". The Atlantic. נבדק ב-21 בנובמבר 2022. {{cite news}}: (עזרה) Joron M, Papa R, Beltrán M, et al. (2006). "A conserved supergene locus controls colour pattern diversity in Heliconius butterflies". PLOS Biol. 4 (10): e303. doi:10.1371/journal.pbio.0040303. PMC 1570757. PMID 17002517. Tuttle, Elaina M.; Bergland, Alan O.; Korody, Marisa L.; Brewer, Michael S.; Newhouse, Daniel J.; Minx, Patrick; Stager, Maria; Betuel, Adam; Cheviron, Zachary A.; Warren, Wesley C.; Gonser, Rusty A. (בפברואר 2016). "Divergence and Functional Degradation of a Sex Chromosome-like Supergene". Current Biology. 26 (3): 344–350. doi:10.1016/j.cub.2015.11.069. PMC 4747794. PMID 26804558. {{cite journal}}: (עזרה) Campagna, Leonardo (8 בפברואר 2016). "Supergenes: The Genomic Architecture of a Bird with Four Sexes". Current Biology (באנגלית). 26 (3): R105–R107. doi:10.1016/j.cub.2015.12.005. PMID 26859263. {{cite journal}}: (עזרה) Arnold, Carrie (24 בנובמבר 2016). "The sparrow with four sexes". Nature (באנגלית). 539 (7630): 482–484. doi:10.1038/539482a. ISSN 0028-0836. PMID 27882995. {{cite journal}}: (עזרה) Ernst A. 1936. Weitere Untersuchungen zur Phänanalyse, zum Fertilitätsproblem und zur Genetik heterostyler Primeln. II. Primula hortensis. Wettst. Arch. J. K.-Stift. Ver. Sozialanthropol. Ras. 11, 1-280. Nabours R.K. 1929. The genetics of the Tettigidae [Tetrigidae] (Grouse Locusts). Bibliogr. genet. 5, 27-104. Nabours R.K., Larson L. & Hartwig N. 1933. Inheritance of colour-patterns in the grouse-locust Acridium arenosum Burmeister (Tettigidae [Tetrigidae]. Genetics 18, 159-71. Darlington C.D. & Mather K. 1949. The elements of genetics, p335-6. Allen & Unwin, London. Ford E.B. 1965. Genetic polymorphism, p17-25. MIT Press 1965. Ford E.B. 1975. Ecological genetics. 4th ed, Chapman & Hall. London. Detlefsen J.A. and Roberts E. 1921. Studies on crossing-over I. The effects of selection on crossover values. J Exp Zoology. 32, 333-54. Darlington C.D. 1956. Chromosome botany, p36. Allen & Unwin, London. Charlesworth D. and Charlesworth B. 1975. Theoretical genetics of Batesian mimicry I. Single-locus models. J. Theoret. Biol. 55, 283-303; II. Evolution of supergenes. J. Theoret. Biol. 55, 305-324; III. Evolution of dominance. J. Theoret. Biol. 55, 325-337. Thompson M.J. & Jiggins C.D. 2014 Supergenes and their role in evolution. Heredity 113, 1-8. Turner J.R.G. 1984. Mimicry: the palatability spectrum and its consequences. Chap. 14. In Vane-Wright R.I. & Ackery P.R. (eds) The Biology of Butterflies. Symposia of the Royal Entomological Society of London #11. Academic Press, London. Maynard Smith J. 1998. Evolutionary genetics, 2nd ed. Oxford.