Инверсия — это перестройка хромосомы , при которой сегмент хромосомы становится инвертированным в пределах своего исходного положения. Инверсия происходит, когда хромосома претерпевает два разрыва в пределах хромосомного плеча, а сегмент между двумя разрывами вставляется в противоположном направлении в том же плече хромосомы. Точки разрыва инверсий часто происходят в областях повторяющихся нуклеотидов, и эти области могут быть повторно использованы в других инверсиях. [1] Хромосомные сегменты в инверсиях могут быть всего лишь 1 килобаз или 100 мегабаз. [2] Количество генов, захваченных инверсией, может варьироваться от нескольких генов до сотен генов. [3] Инверсии могут происходить либо посредством эктопической рекомбинации между повторяющимися последовательностями , либо посредством разрыва хромосомы с последующим негомологичным соединением концов . [4]
Инверсии бывают двух типов: парацентрические и перицентрические . Парацентрические инверсии не включают центромеру , и обе точки разрыва происходят в одном плече хромосомы. Перицентрические инверсии охватывают центромеру, и в каждом плече есть точка разрыва [5] .
Инверсии обычно не вызывают никаких отклонений у носителей, пока перестройка сбалансирована, без лишней или отсутствующей ДНК. Однако у гетерозиготных по инверсии особей наблюдается повышенное образование аномальных хроматид (это происходит, когда кроссинговер происходит в пределах инверсии). Это приводит к снижению фертильности из-за образования несбалансированных гамет. Инверсии не подразумевают ни потерю, ни приобретение генетической информации; они просто перестраивают линейную последовательность ДНК.
Цитогенетические методы могут быть способны обнаружить инверсии, или инверсии могут быть выведены из генетического анализа . Тем не менее, у большинства видов небольшие инверсии остаются незамеченными. Совсем недавно сравнительная геномика использовалась для обнаружения хромосомных инверсий путем картирования генома. [6] [7] Популяционная геномика также может использоваться для обнаружения инверсий, используя области высокого неравновесия сцепления в качестве индикаторов возможных участков инверсии. Человеческим семьям, которые могут быть носителями инверсий, может быть предложено генетическое консультирование и генетическое тестирование . [8]
Первое доказательство хромосомной инверсии было обнаружено в 1921 году Альфредом Стертевантом у Drosophila melanogaster . [9] С тех пор инверсии были обнаружены у всех эукариот . [3] Когда их обнаружил Стертеван, инверсии считались областями подавления рекомбинации.
Первоначально эти инверсии были отмечены в политенных хромосомах в слюнных железах гетерозиготных личинок Drosophila melanogaster . [3] В 1970 году Феодосий Добжанский отметил, что гены внутри инверсии имеют более высокую приспособленность, чем те, которые находятся вне инверсий, хотя это область, которая требует дальнейшего изучения. [10]
Одной из последних моделей инверсий является модель Киркпатрика и Бартона (2006), которая утверждает, что инверсии селективно выгодны, связывая вместе адаптивные аллели. Физически связывая коадаптированные варианты в нескольких генах в различные версии (гаплотипы) инверсии, отбор должен быть более эффективным в повышении частоты этих вариантов в популяции. Это контрастирует с неинвертированными областями, которые могут допускать перенос адаптивных и неадаптивных аллелей. [11]
Когда хромосома, несущая инверсию, спаривается с неинвертированной гомологичной хромосомой (гетерозиготы инверсии) во время мейоза , они не могут правильно синапсировать, и образуются петли инверсии. Кроссинговер внутри петли может привести к несбалансированным гаметам . При парацентрической инверсии рекомбинация приводит к образованию одной дицентрической хроматиды и одной ацентрической хроматиды. Во время анафазы оба рекомбинанта сталкиваются с проблемами. Ацентрическая хроматида тянется к одному полюсу или другому, а дицентрический рекомбинант генерирует дицентрические мосты, поскольку он тянется в двух направлениях. [12]
При перицентрической инверсии производятся похожие несбалансированные хромосомы. Рекомбинантные хромосомы, полученные в результате этих скрещиваний, включают делеции и дупликации . Потомство, произведенное такими гаметами, в основном нежизнеспособно, и поэтому рекомбинация косвенно подавляется в инвертированных областях. [12]
Подавленная рекомбинация между гетерозиготами инверсии дает возможность для независимой эволюции предковых и инвертированных расположений. В начале инвертированное расположение лишено вариации, в то время как предковое — нет. Если инвертированный гаплотип не теряется (например, из-за дрейфа ), вариация в инвертированном расположении может со временем увеличиваться, и скорость рекомбинации в инвертированной области несколько восстанавливается по мере введения большего количества гомозигот. [13]
Хромосомные инверсии привлекли большое внимание в эволюционных исследованиях из-за их потенциальной роли в локальной адаптации и видообразовании. Поскольку нерекомбинирующие инверсионные гаплотипы могут содержать несколько коадаптированных вариантов генов, считается, что инверсии способствуют локальной адаптации к различным средам, поскольку естественный отбор более эффективен в повышении частоты таких связанных адаптивных вариантов в популяции. [14] Однако эмпирически продемонстрировать наличие связанных, коадаптированных вариантов генов в инверсиях сложно, поскольку инверсионные гаплотипы не рекомбинируют. Более того, этот возможный положительный эффект хромосомных инверсий для адаптации к различным средам основывается на предположении, что адаптивные варианты генов, связанные в различные инверсионные гаплотипы, действительно коадаптированы. Однако эта идея, вероятно, нарушается в ситуациях, когда популяции испытывают пространственно или временно изменяющийся отбор. Из-за флуктуирующего отбора на инверсионно-связанных вариантах отсутствие рекомбинации между инверсионными гаплотипами, содержащими различные варианты генов, может затем ограничивать, а не помогать адаптации к различным средам. [15] Таким образом, важность хромосомных инверсий в адаптации к различным средам остается открытой эмпирической проблемой в эволюционной генетике.
Инверсионный полиморфизм может быть установлен двумя способами. Генетический дрейф или отбор могут привести к фиксации инверсии в локальной популяции. Инверсионный полиморфизм может быть результатом потока генов между этой популяцией и популяцией без инверсии. Балансирующий отбор также может привести к инверсионному полиморфизму из-за частотной зависимости или сверхдоминирования . [13] Различия в приспособленности между инвертированной и предковой хромосомой могут либо привести к стабильному полиморфизму, либо к фиксации одной или другой хромосомы. [16]
Инверсии были существенными для эволюции половых хромосом . У млекопитающих хромосома Y не способна рекомбинировать с хромосомой X почти по всей своей длине. Эта нерекомбинирующая часть является результатом серии инверсий, которые перекрываются. Снижение скорости рекомбинации между локусами, определяющими пол , и генами, антагонистическими по полу, поддерживается отбором. Это вызывает неравновесие сцепления между локусом, определяющим пол, и аллелем в другом локусе, который выгоден для самцов. Это может произойти посредством инверсий, приводящих к нерекомбинирующему блоку, включающему оба локуса, как в случае с хромосомой Y млекопитающих. [16]
Инверсии также могут быть существенными в возникновении новых половых хромосом. Они могут вызвать нарушение сцепления между мутацией, определяющей пол, и антагонистическими по полу локусами и создать новую половую хромосому из аутосомы. [17]
Инверсии могут быть вовлечены в видообразование несколькими способами. Поскольку гетерозиготные инверсии могут быть недоминантными , они могут вызывать потерю гибридной приспособленности, что приводит к постзиготической изоляции . Они также могут накапливать выбранные различия между видами, вызывая как пре-, так и постзиготическую изоляцию. [16]
Инверсии часто образуют географические клины по частоте, что может указывать на их роль в локальной адаптации. Ярким примером такой клины является инверсия 3RP у Drosophila melanogaster , которую можно наблюдать на трех разных континентах. [16] Когда инверсия содержит два или более локально адаптивных аллеля, ее можно отобрать и распространить. Например, у бабочки Heliconius numata 18 генов, контролирующих окраску, связаны между собой инверсиями, поскольку вместе они обеспечивают более высокую приспособленность. [18]
Международная система цитогеномной номенклатуры человека (ISCN) — это международный стандарт номенклатуры хромосом человека , который включает названия полос, символы и сокращенные термины, используемые при описании хромосом человека и аномалий хромосом. Сокращения включают inv для инверсий. [20]
