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.

 פנוטיפים שגני-על מקודדים 
ממוזער| פרחים הטרוסטיליים (A) ו-(B) של בכור אביב מצוי נשלטים על ידי גן-על.
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 . גני-על שהתגלו לאחרונה הם פנוטיפים מורכבים שאחראים על וריאציות של צבע בדרור לבן-גרון .

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".

 מקור 
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.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.

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  ו-Mather  ניתחו את הנתונים של נאבורס, והסיקו שהגנים האחראים לצורות של החגב Paratettix texanus התקבצו בהדרגה לקבוצה הפועלת כמנגנון של מתג יחיד.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. ההסבר הזה התקבל על ידי א' ב' פורד  ושולב בהסבריו על גנטיקה אקולוגית.Ford E.B. 1965. Genetic polymorphism, p17-25. MIT Press 1965.Ford E.B. 1975. Ecological genetics. 4th ed, Chapman & Hall. London.

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.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.

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.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. 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.Thompson M.J. & Jiggins C.D. 2014 Supergenes and their role in evolution. Heredity 113, 1-8. טרנר קרא לזה "השערת מִסְנֶנֶת" (sieve – נׇפׇה), ובעקבותיו ההשערה נקראת "השערת המסננת של טרנר".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. מיינרד סמית'  הסכים עם דעה זוMaynard Smith J. 1998. Evolutionary genetics, 2nd ed. Oxford. אך השאלה לא הוכרעה באופן סופי. הבעיה קשורה לשאלה גדולה עוד יותר, האבולוציה של יכולת ההתפתחות (evolvability).

 מבנה הגנום 
סידור מחדש של חלקים בגנום, למשל היפוך של מקטע מסוים בתוך כרומוזום , 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 אינו גן-על 
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.

 לקריאה נוספת 

 קישורים חיצוניים 
 www.cbc.yale.edu/old/cce/papers/HomNat/homnat.html – אבולוציה של מודולריות

 הערות שוליים 

קטגוריה:גנטיקה
קטגוריה:כרומוזומים