فرضية 2R

فرضية التضاعف المزدوج (2R)، أو فرضية أونو ، التي اقترحها سوسومو أونو لأول مرة عام 1970، ^{[ 1 ]} هي فرضية تفترض أن جينومات سلالة الفقاريات المبكرة خضعت لعمليتي تضاعف كاملتين ، وبالتالي فإن جينومات الفقاريات الحديثة تعكس تعدد الصيغ الصبغية القديمة . ويُشتق الاسم من جولتي التضاعف اللتين افترضهما أونو في الأصل، ولكن تم تحسينهما في نسخة عام 1994، وربما صِيغ مصطلح فرضية التضاعف المزدوج (2R) عام 1999. ولا تزال الاختلافات في عدد وتوقيتات تضاعف الجينوم تُعتبر أمثلة على فرضية التضاعف المزدوج (2R). ^{[ 2 ]}

كانت فرضية التضاعف الجيني (2R) موضوعًا للعديد من الأبحاث والجدل؛ إلا أنه مع تزايد الدعم من بيانات الجينوم، بما في ذلك الجينوم البشري ، فقد مالت كفة الرأي العام بقوة لصالح هذه الفرضية. ووفقًا لكارستن هوكامب، وآويفي ماكليساغت، وكينيث إتش. وولف ، [ ^{2 ] فإن} نسخة فرضية تضاعف الجينوم التي استمدت منها فرضية التضاعف الجيني اسمها تظهر في دراسة هولاند وآخرون ^{[ 3 ]} ، وقد صاغ المصطلح أوستن إل. هيوز. ^{[ 4 ]}

قدّم أونو النسخة الأولى من فرضية 2R كجزء من حجته الأوسع نطاقًا حول الأهمية العامة لتضاعف الجينات في التطور . واستنادًا إلى الأحجام النسبية للجينوم وتحليل الإنزيمات المتماثلة ، اقترح أن الأسماك أو البرمائيات السلفية قد خضعت لحالة واحدة على الأقل، وربما أكثر، من "التطور الرباعي الصبغي". وأضاف لاحقًا إلى هذه الحجة دليلًا على أن معظم الجينات المتماثلة في الفقاريات لا تُظهر ارتباطًا جينيًا . وجادل أونو بأنه من المتوقع وجود ارتباط في حالة التضاعفات المتتالية الفردية (حيث يُضاف جين مُضاعف بجوار الجين الأصلي على نفس الكروموسوم)، ولكن ليس في حالة تضاعف الكروموسومات. ^{[ 5 ]}

في عام 1977، أظهر شميدتكه وزملاؤه أن تعقيد الإنزيمات المتماثلة متشابه في الرميح والزقيات ، مما يناقض تنبؤ فرضية أونو بأن تضاعف الجينوم حدث في السلف المشترك للرميح والفقاريات . ^{[ 6 ]} مع ذلك، لم يتناول هذا التحليل الفقاريات، لذا لم يُقدّم أي معلومات عن أحداث التضاعف اللاحقة. ^{[ 7 ]} (علاوة على ذلك، أظهرت دراسات علم الوراثة الجزيئية اللاحقة أن الفقاريات أقرب صلةً بالزقيات منها بالرميح، مما يُفنّد منطق هذا التحليل. ^{[ 8 ]} ) شهدت فرضية التضاعف الثنائي (2R) عودة الاهتمام بها في التسعينيات لسببين. أولًا، كشفت بيانات رسم خرائط الجينات في البشر والفئران عن مناطق تماثل واسعة النطاق - مجموعات من الجينات على كروموسوم واحد مرتبطة بمجموعات من الجينات على كروموسوم آخر في النوع نفسه، مما يدل على أحداث تضاعف في التطور. ^{[ 9 ]} كانت مناطق التماثل عمومًا في مجموعات من أربعة. ثانيًا، كشف استنساخ جينات Hox في الرميح عن وجود مجموعة جينية واحدة فقط من جينات Hox ، ^{[ 10 ]} على عكس المجموعات الأربع الموجودة في الإنسان والفأر. وأظهرت بيانات من عائلات جينية إضافية قاعدة مشتركة من واحد إلى متعدد عند مقارنة جينات الرميح والفقاريات. ^{[ 7 ]} تشير هاتان النتيجتان مجتمعتان إلى حدوث تضاعفين جينيين في أسلاف الفقاريات، بعد انفصالها عن السلالة التطورية للحبليات الرأسية .

دار الجدل حول فرضية التضاعف المزدوج (2R) حول طبيعة مناطق التماثل الجيني . لا خلاف على أن الكروموسومات البشرية تحمل مجموعات من الجينات المرتبطة بمجموعات جينات على كروموسومات أخرى؛ ويتمحور الجدل حول ما إذا كانت هذه المجموعات قد نشأت عن تضاعفات واسعة النطاق ضاعفت جميع الجينات في الوقت نفسه، أو ما إذا كانت سلسلة من تضاعفات الجينات الفردية قد حدثت تبعها إعادة ترتيب كروموسومي لإعادة ترتيب مجموعات الجينات معًا. وجد هيوز وزملاؤه أن الأشجار التطورية المبنية من عائلات جينية مختلفة داخل مناطق التماثل الجيني لها أشكال مختلفة، مما يشير إلى أن هذه العائلات الجينية لها تاريخ تطوري مختلف. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وقد اعتُبر هذا الأمر غير متسق مع فرضية التضاعف المزدوج (2R). مع ذلك، جادل باحثون آخرون بأن اختبارات "الطوبولوجيا" هذه لا تختبر فرضية التضاعف الثنائي (2R) بدقة، لأن إعادة التركيب قد تكون حدثت بين الكروموسومات المتقاربة الناتجة عن تعدد الصيغ الصبغية ، ^{[ 14 ] [ 15 ]} ولأن جينات غير مناسبة قد تمت مقارنتها ^{، [ 16 ]} ولأن التنبؤات تختلف إذا حدث تضاعف الجينوم من خلال التهجين بين الأنواع. ^{[ 17 ]} إضافةً إلى ذلك، تمكن العديد من الباحثين من تحديد تاريخ تضاعف عائلات الجينات داخل مناطق التماثل الجيني بشكل متسق مع التطور المبكر للفقاريات، بعد تباعدها عن حيوان الرميح، وهو ما يتوافق مع فرضية التضاعف الثنائي (2R). ^{[ 18 ] [ 19 ]} عندما توفرت تسلسلات الجينوم الكاملة للفقاريات، بما في ذلك Ciona intestinalis والرميح، وُجد أن جزءًا كبيرًا من الجينوم البشري مُرتب في مناطق متماثلة يمكن تتبعها إلى تضاعفات واسعة النطاق، ^{[ 20 ]} وأن هذه التضاعفات حدثت بعد تباعد الفقاريات عن الكيسيات ^{[ 11 ]} والرميح. ^{[ 21 ]} وهذا يُؤرخ تضاعفي الجينوم إلى ما بين 550 و450 مليون سنة مضت.

وقد لُخِّص الجدل الذي احتدم في أواخر التسعينيات في مراجعة للموضوع عام 2001 بقلم فويتشخ ماكالوفسكي، الذي ذكر أن "فرضية تضاعف الجينوم الكامل في المراحل المبكرة من تطور الفقاريات لها مؤيدون بقدر ما لها معارضون". ^{[ 5 ]}

في المقابل، تشير مراجعة أحدث أجراها ماسانوري كاساهارا عام 2007 إلى وجود "أدلة قاطعة تدعم فرضية التضاعف الجيني 2R"، وأن "نقاشًا طويل الأمد حول هذه الفرضية يقترب من نهايته". ^{[ 22 ]} ويذكر مايكل بنتون ، في طبعة 2014 من كتاب "علم الحفريات الفقارية "، أنه "اتضح أنه في المناطق التي يمتلك فيها حيوان الرميح جينًا واحدًا، غالبًا ما تمتلك الفقاريات جينين أو ثلاثة أو أربعة جينات مكافئة نتيجة لحدثي تضاعف كامل للجينوم". ^{[ 23 ]}

تُقدّم جينومات أسماك اللافكيات (الأسماك عديمة الفك الموجودة حاليًا: أسماك الهاجفيش واللامبري) دعمًا إضافيًا لفرضية التضاعف الجيني (2R) عند فحصها باستخدام أشجار الجينات والتوافق الجيني. وقد تبيّن أن أسماك اللافكيات وأسماك الفكيات (التي تشمل رباعيات الأطراف، مثل الإنسان) تشترك في جولة تضاعف جيني أولية (1R). ثم خضعت أسماك الفكيات لجولة تضاعف جيني خاصة بها (2R _G ). أما أسماك اللافكيات، فقد خضعت لتضاعف جيني ثلاثي (2R _C ) في الجولة الثانية. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

باستخدام أساليب الساعة الجزيئية على جينومات الرميح والفقاريات، قدّرت دراسة أجريت عام 2023 أن التضاعف الأول (1R) حدث قبل أقل من 10 ملايين سنة من تباعد السلف المشترك للحبليات، وأن التضاعف الثاني (2R _G) حدث بعد حوالي 10 ملايين سنة من انقسام الفكيات والفقاريات الحلقية الفم. تُعدّ هذه التواريخ سريعة نسبيًا من الناحية التطورية، لا سيما بالنظر إلى هامش الخطأ. ^{[ 26 ]} وتشير دراسات أخرى إلى توقيتات نسبية مماثلة. ^{[ 25 ]}

الجينات المتماثلة (أوهنولوجوس) هي جينات متماثلة نشأت من خلال عملية تضاعف 2R . وقد أُطلق هذا الاسم لأول مرة تكريمًا لسوسومو أوهنو من قِبل كين وولف . ^{[ 27 ]} وهي مفيدة في التحليل التطوري لأن جميع الجينات المتماثلة في الجينوم تتباعد منذ نفس الفترة الزمنية (منذ أصلها المشترك في تضاعف الجينوم الكامل). ^{[ 28 ] [ 29 ]}

تشمل الجينات المتماثلة المدروسة جيدًا جينات في الكروموسومات البشرية 2 و7 و12 و17 تحتوي على تجمعات جينات Hox ، وجينات الكولاجين ، وجينات الكيراتين ، وجينات مكررة أخرى، ^{[ 30 ]} وجينات في الكروموسومات البشرية 4 و5 و8 و10 تحتوي على جينات مستقبلات الببتيدات العصبية، وجينات NK من فئة homeobox، والعديد من عائلات الجينات الأخرى ، ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} وأجزاء من الكروموسومات البشرية 13 و4 و5 وX تحتوي على جينات ParaHox والجينات المجاورة لها. ^{[ 34 ]} يحتوي معقد التوافق النسيجي الرئيسي ( MHC) على الكروموسوم البشري 6 على مناطق متماثلة على الكروموسومات 1 و9 و19. ^{[ 35 ]} يبدو أن جزءًا كبيرًا من الجينوم البشري يُنسب إلى مناطق متماثلة. ^{[ 36 ]}

بمقارنة جينومات الرميح مع جينومات الفقاريات، يتمكن العلماء من تحديد 17 مجموعة ارتباط أسلاف الحبليات (CLGs)، وهي نمط كروموسومي افتراضي مشترك بين الحبليات المبكرة . وتتميز هذه إعادة البناء بالمتانة في ظل العديد من اختيارات البيانات والأساليب المختلفة. ^{[ 24 ] [ 37 ]} وبمقارنة كيفية توزيع مجموعات الارتباط الأسلاف في الأنماط الكروموسومية المختلفة للفقاريات، يُمكن تمييز أحداث اندماج الكروموسومات المبكرة التي حدثت قبل تباين الفقاريات الحالية. ^{[ 26 ] : الشكل 2، S21}

تُظهر بعض الفقاريات، مثل الدجاج، إعادة ترتيب محدودة للجينات مقارنةً بالجينات المتماثلة، بحيث قد تكون الكروموسومات بأكملها متماثلة فيما بينها. وتُسمى هذه الكروموسومات "كروموسومات أوهنو". ^{[ 26 ]}