Introgressioon

Introgressioon ehk introgressiivne hübridisatsioon on protsess, kus vähemalt osaliselt elujõulised ja viljakad kahe liigi hübriidsed järglased ristuvad tagasi ühe või mõlema vanemliigiga ning need tagasiristunud järglased jätkavad omakorda ristumist samade vanemliikidega ehk toimub hübriidide korduv tagasiristumine vanemliigi/-liikidega, põhjustades väikese koguse DNA püsivat ülekandumist ühe liigi genoomist teise.
Esimesena pakkus välja idee, et ühe liigi iduplasma järkjärgulisel infiltreerumisel teise liigi iduplasmasse võib olla teatud bioloogiline tähtsus, Carl Hansen Ostenfeld 1927. aastal. 1938. aastal käsitlesid Edgar Anderson ja Leslie Hubricht seda protsessi konkreetsemalt ja nimetasid selle introgressiivseks hübridisatsiooniks.
Intogressiooni tähtsus on vastuoluline, sest mida märkamatumaks introgressioon muutub, seda suurem on selle bioloogiline tähtsus.
Introgressiooni olemus.
Looduslikes tingimustes on hübridiseerumise analüüsid näidanud, et introgressioon on üks selle levinumaid tulemusi. Iga järgneva tagasiristumisega muutub järglaste osaliselt hübriidne olemus aina vähem ilmseks ja juba hübriidi kolmanda tagasiristumise ajaks pole enam üldse või on vaid väga vähe väliseid tunnuseid, mis hübriidsusele viitaksid ja mida edasi, seda võimatum on neid vanemliigist/-liikidest eristada. Eelkõige võib introgressiooni vaadelda kui mitmekesisust tekitavat mehhanismi, kuid liigne geenivool liikide vahel võib kaasa tuua ka geneetilise soostumise ja seeläbi kahe liigi ühinemise.
Introgressiooni võib pidada diferentsiaalseks, sest enamikul juhtudel ei toimu introgressioon genoomis ühtlaselt ning teatud genoomi piirkonnad introgresseeruvad rohkem või vähem kergemini kui teised. Eeldatakse, et üldjoontes soodsate tunnustega seotud lookused introgresseeruvad sagedamini, samas kui alleelid, mis soodustavad reproduktiivset isolatsiooni ja/või alleelid, mille osas toimub lahknemisele suunatud valik, introgresseeruvad vähe või üldse mitte. Kui paljud geenid soodustavad hübriidide vähest elujõulisust, võib see viia genoomi piirkondadeni, mis on introgressiooni suhtes resistentsed, kuna pärast esialgset hübridisatsiooni on kokkusobimatute geenide kõrvaldamiseks tugev selektiivne surve.
Genoomiülest introgressiooni vähendab oluliselt ka madal rekombineerumistase, mille võib põhjustada näiteks geneetiliselt väga erinevate taksonite omavaheline hübridiseerumine. Kõrge rekombinatsioonimäära korral on introgressiooni käigus võimalik üle kanda ka väga lühikesi genoomi juppe. Veel vähendavad introgressiooni määra suure geenitihedusega genoomipiirkonnad, kus introgresseerunud DNA-d esineb harvemini ilmselt seetõttu, et selle säilitamine võib häirida geenifunktsiooni.
Introgressiooni tulemusena saavad hübriidsed järglased ühelt vanemalt rohkem alleele, kui Mendeli segregatsioonireeglite kohaselt eeldatakse, ja sarnanevad seega selle vanemaga rohkem kui Mendeli reeglid ennustaksid.
Introgressiooni levimus looduses.
Introgressioon on paljude liikide ajaloos üsna sageli aset leidnud. Arvatakse, et ligikaudu 25% taimeliikidest vahetavad geene sugulastega, mis on peaaegu kaks korda suurem hulk kui loomade puhul. Introgressioonil on suur tähtsus piirkondades, kus inimene on oma tegevusega loodust häirinud ning lõhkunud sellega liikidevahelisi barjääre ja loonud uusi elupaiku. Sellistel aladel saavad hübriidid toimida sillana, mille kaudu ühe liigi geenirühmad võivad tungida teise liigi genoomi.
Näiteid introgressioonist looduses.
Näiteid tuvastatud introgressioonisündmustest on laialt levinud kogu evolutsioonipuus, alates "Heliconius" liblikate tiibade värvimustrite aluseks olevate geenide ja päevalilledel karmides keskkonnaoludes arenemist võimaldavate geenide introgressioonist kuni iidse pärmi metaboolsete radade ulatusliku introgressioonini.
Üks põhjalikumalt uuritud iidse introgressiooni näiteid on meie oma liigil, "Homo sapiens", kus iidsete ja kaasaegsete genoomide järjendamine on paljastanud neandertallaste ja denisovi inimeste DNA introgressiooni umbes 2000 põlvkonda tagasi.
Heaks introgressiooni näiteks on ka kaks Mississippi delta võhumõõka, ruuge iiris ("Iris fulva") ja "Iris hexagona var. giganti-caerulea", mis on välimuselt väga erinevad, kuid millel tekivad veidrad rekombinatsioonid teise põlvkonna tagasiristumistes, kui pigmendigeenid eralduvad põhivärvi geenidest enam-vähem sõltumatult.
Ka enamik perekond sõrmkäpa ("Dactylorhiza") Euroopa liikidevaheliste hübriidide kahekordistunud kromosoomistikuga taksoneid on tekkinud kahe vanemliigi, kuradi-sõrmkäpa ("Dactylorhiza maculata") ja kahkjaspunase sõrmkäpa ("Dactylorhiza incarnata") introgressioonil.
Introgressiooni roll adaptatsioonis ja liigitekkes.
Introgressiooni võib pidada adaptiivseks, kui introgresseerunud alleele säilitab looduslik valik ehk neil on positiivsed tagajärjed liigi kohasusele. Adaptiivsete alleelide liikumine liikide vahel introgressiooni kaudu võib olla oluline kohastumise viis, sest selle asemel, et oodata kasuliku mutatsiooni tekkimist, võib geenivool tuua sisse variatsiooni, mida on loodusliku valikuga nii-öelda eeltestitud, laiendades seeläbi kohastumiseks saadaolevate geneetiliste variatsioonide kogumit. Lisaks võivad introgresseerunud alleelid põhjustada epistaatiliselt soodsaid geenikombinatsioone uues genoomses taustas ja kohastumist niimoodi veelgi kiirendada.
Teada on palju adaptiivse introgressiooni näiteid, kuid vähesed neist põhjustavad liigiteket. Siiski on võimalik, et liigi A tunnuste adaptiivne introgressioon liigiks B võib viia liigi B jagunemiseni B-ks ja B'-ks, mis tähendab, et A-liigi tunnuste introgressioon võib muuta mõned B-liigi isendid teistest piisavalt erinevaks, et neist saab kaks eri liiki. Näiteks "Heliconius" liblikate puhul, kus alleelid tiibade värvimustreid kodeerivates lookustes on introgresseerunud. Lisaks on introgressioon mänginud võtmerolli looduses kõige silmatorkavamates adaptiivsetes radiatsioonides, sealhulgas Darwini vintidel.
Keskkonnamuutuste mõju ja adaptiivse introgressiooni seotus.
Keskkonnamuutused võivad sageli põhjustada tugevat selektiivset survet muutunud keskkonnas kohasust suurendavate introgresseerunud lookuste kasuks. Näiteks on inimtegevusest tingitud keskkonnamuutused andnud eelise introgresseerunud lookustele, mis aitavad kaasa näriliste tõrjeresistentsusele koduhiirtel, insektitsiidide resistentsusele sääskedel ja tööstusliku reostuse taluvusele kalal "Fundulus grandis".
Kliimamuutus on drastiliselt muutnud survet, millega paljud liigid kokku puutuvad ning introgressioonil võib olla positiivne või negatiivne roll liikidele nende muutustega kohastumisel. Näiteks võib adaptiivne introgressioon viia alleelide liikumiseni liigilt A, mis on kohastunud kuumema temperatuuriga, liigile B, mis on vähem kuumust taluv. See võimaldab algselt vähem kuumust taluvatel liikidel kohastuda kõrgemate temperatuuridega. Kohastumisomaduste ülekandumist on täheldatud näiteks üleujutust taluval ruugel iirisel ("Iris fulva)" ja kuivaks kohastunud "Iris brevicaulis"'el. Ka alleelid, mis põhjustavad ameerika jäneste ("Lepus americanus") pruuni talvekarva värvust ja päevalillede varajast õitsemisaega, on introgresseerunud lähedalt seotud liikidelt ja hõlbustanud nende kohastumist uute keskkondadega.
Kliimamuutus võib aga introgressiooni tagajärjel põhjustada ka ulatuslikke negatiivseid tagajärgi. Näiteks, kui liigid kolivad uutele aladele, püüdes keskkonnamuutustega sammu pidada, võib neilt introgressiooni käigus liikuda antud keskkonnas ebasobivat geneetilist materjali piirkonna algsetele liikidele. See on suur probleem juhul, kui kohalike liikide arvukus on uute saabujate omast väiksem, mis võib viia geneetilise soostumiseni, kus hübridiseerumine ja introgressioon põhjustavad algsete asukate geneetilist asendamist.
Introgressiooni tuvastamine.
Paljude põlvkondade tagasiristumised vähendavad oluliselt hübridisatsiooni ajalugu säilitavate lookuste arvu, muutes iidsemad hübridisatsioonisündmused raskesti tuvastatavaks. Hiljutine introgressioon on ilmsem, kuna introgresseerunud DNA fragmendid on pikad ja terviklikud, sest uute mutatsioonide jaoks on olnud vähe aega, tänu millele on neid lihtsam tuvastada ja iseloomustada.
Introgressiooni tuvastamiseks globaalsel (kogu genoom) ja kohalikul (spetsiifiline genoomne piirkond) skaalal on tavaliselt vajalik vanemliikide ja introgresseerunud järglaste genoomi sekveneerimine. Enne genoomi sekveneerimise laialdaselt kättesaadavaks saamiseni oli seetõttu raske introgressiooni mustreid tõhusalt ja usaldusväärselt kvantifitseerida.
Kaasaegsed introgressiooniuuringud põhinevad sageli fülogenoomsetel andmekogumitel, mis koosnevad tavaliselt terve genoomi või kogu transkriptoomi järjestuse andmetest, mis on kogutud ühelt isendilt või keskenduvad sellele vähemalt kolmes populatsioonis või liigis. Geenipuid saab hinnata üksikute lookuste joonduste või mittekattuvate genoomsete alade järgi, mille tulemuseks on tuhandete fülogenoomse puu topoloogiate kogum. Enamik meetodeid nõuab ka liigipuu täpsustamist.
Fülogenoomsed meetodid.
Introgressiooni uurides ei huvita teadlasi sageli mitte ainult introgressiooni sündmuste tuvastamine, vaid ka suund (doonori- ja retsipientpopulatsioonide identiteet), ulatus kogu genoomis, ajastus (absoluutarvudes või liigitekke suhtes) ja režiim (hübridisatsiooni hetkelised impulsid või pidev geenivool).
Kui fülogenoomilises raamistikus võetakse proove paljudest lookustest, on võimalik tundma õppida üldisi tegureid ning eristada introgressiooni teistest protsessidest, mis põhjustavad lahknevusi andmekogumis. Enamik fülogenoomilisi meetodeid introgressiooni uurimiseks põhinevad mitme liigi liitumise/ühinemise (MSC – "multispecies coalescent") mudelil ja kasutavad andmeid ühest proovist liigi kohta. Need meetodid on lihtsad, kuid efektiivsed, kuna kirjeldavad täielikult geenipuu sagedusi ja harude pikkusi.
Enamik introgressiooni järeldamise meetodeid eeldab, et liigi fülogenees on teada või seda saab täpselt järeldada. Nullhüpoteesiks introgressiooni testide jaoks fülogenoomsetes uuringutes on ebatäielik liinisorteerimine (ILS – "Incomplete Lineage Sorting"), mis tekib, kui liigi genealoogia ei ühti täielikult selle evolutsioonilise ajalooga, mis põhjustab vastuolulisi geenipuid ja põhineb ideel, et ILS-i põhjustatud geenipuu lahknevus võib luua introgressiooniga sarnaseid mustreid.
Introgressiooni tuvastamine geenipuu sageduste abil.
Nende meetoditega järeldatakse introgressiooni sündmusi, hinnates otseselt geenipuu topoloogiaid. Näiteks laialdaselt kasutatav D-statistik, mis näitab introgressiooni olemasolu või puudumist, ja selle täiendused, kvantivitseerimaks, kui suur osa genoomist on mõjutatud ning tuvastamaks, millised populatsioonid on sellega seotud.
Introgressiooni tuvastamine ühinemisaegade abil.
Üks lihtsamaid viise introgressiooni testimiseks on liigipaaride jadade lahknemise asümmeetria testimine. Kui ühel mittesugulastaksonite paaril on keskmiselt uuemad ühinemisajad kui teisel, on tõenäoline seletus selle paari vaheline liigitekkejärgne introgressioon. Sellised meetodid on kasutusel näiteks suurema paindlikkuse pärast mittesugulasliikide introgressiooni järeldamisel, introgressiooni eristamisel esivanemate populatsiooni struktuurist ja introgressiooni tuvastamisel väga lähedaste liikide vahel. Õdetaksonite-vahelise introgressiooni suuna täpseks järeldamiseks võib olla vajalik mitme järjestuse olemasolu iga liigi lookuse kohta.
Introgressiooni tuvastamine tõenäosusmeetoditega.
Tõenäosusmeetodeid saab rakendada eri tüüpi geneetilistele andmetele ning need võimaldavad järeldada introgressiooniga seotud taksoneid, introgressiooni ulatust, ajastust ja suunda. Meetodid võivad aga olla arvutuslikult nõudlikud, piirates nende rakendamist suuremate andmekogumite puhul. Mõned meetodid käsitlevad seda probleemi, kasutades ligikaudseid tõenäosusi või pseudotõenäosusi, võimaldades analüüsida suuremaid andmekogumeid, milles on rohkem liike ja lookusi. Soovitatav on nende analüüside kombineerimine teiste lähenemisviisidega, et introgressioonisündmusi paremini mõista. Üldiselt pakuvad tõenäosusmeetodid lihtsamate lähenemisviisidega võrreldes eeliseid järelduste võimsuse ja rikkuse osas.
Väljakutsed introgressiooni tuvastamisel.
Introgressiooni uuringutes on oluline arvestada võimalusega, et liigid võisid vahetada geene proovideta või tundmatute "kummitusliinidega". Neist võidakse proove mitte võtta isendite puudumise, väljasuremise või lihtsalt liikide senise mittetuvastamise tõttu. Kui introgressioon toimub kaugest kummitusliinist valimisse võetud liini, võib see põhjustada geenipuude asümmeetriat, põhjustades väljakutseid introgressiooniga seotud liinide ajastuse, suuna ja identiteedi õigel järeldamisel.
Kõrge rekombinatsioonimäära korral on introgressiooni korral võimalik üle kanda väga lühikesi DNA segmente, mille introgressiivset ajalugu on oma olemuselt raske tuvastada ka geneetilisel tasemel. Kuna introgresseeritud fragmentide suurus väheneb paljude põlvkondade tagasiristumise, rekombinatsiooni ja selektsiooni käigus ning kuna mutatsioonid tekivad aja jooksul jätkuvalt, muutub vanematest introgressioonisündmustest pärit DNA fragmentide tuvastamine aina keerulisemaks. Sellistel juhtudel tuginevad teadlased sageli kogu genoomi hõlmavatele signaalidele ja võrdlustele.
Kokkuvõttes on introgressiooni kindlakstegemisel endiselt mitmeid metodoloogilisi ja tehnilisi väljakutseid, sealhulgas introgressiooni ulatuse, ajastuse ja suuna täpsem hindamine, õdetaksonite-vahelise introgressiooni tuvastamine, valimiteta ja niinimetatud "kummitusliinide" tekitatud valepositiivsed tulemused, introgressiooni sündmuste arvu järeldamine klaadis ja fülogeneetiliste võrkude täpne automatiseeritud visualiseerimine, kuid vaatamata nendele väljakutsetele on saadaolevatel lähenemisviisidel võimekus introgressiooni tuvastamiseks ja iseloomustamiseks paljudes erinevates tingimustes, eriti kui erinevaid meetodeid omavahel kombineerida.