Внутригеномный и внутриутробный конфликт у человека - Intragenomic and intrauterine conflict in humans

Внутригеномные и внутриутробные конфликты у человека возникают между матерями и их потомством. Теория родительских инвестиций утверждает, что родители и их дети часто конфликтуют из-за оптимальной суммы инвестиций, которую родитель должен предоставить.^[1] Это связано с тем, что интересы родителей не всегда совпадают с интересами потомства. Конфликт между матерью и младенцем представляет интерес из-за того, что мать вкладывает средства в свое потомство. У людей матери часто вкладывают годы в заботу о своих детях из-за длительного периода развития, прежде чем дети станут самодостаточными.

Родители и их дети обычно участвуют в совместном предприятии, в котором выигрывают как выживание, так и будущее воспроизводство потомства. Однако их интересы не могут быть идентичными, потому что их гены не идентичны. Хотя и родитель, и потомство на 100% связаны друг с другом, они разделяют только 50% своих генов друг с другом, что означает, что и родитель, и ребенок иногда будут конфликтовать друг с другом.^[2]

Внутриутробный конфликт

Конфликт между матерью и младенцем начинается во время беременности, когда организм матери должен поддерживать свое здоровье, а также обеспечивать развивающийся плод.^[3] В целом и плод, и мать имеют одинаковые эволюционные интересы в отношении того, что плод родится и родится здоровым. Однако могут также возникнуть противоречия между количеством питательных веществ, которые предпочитает получать плод, и количеством, которое предпочитает давать мать. Например, может возникнуть конфликт между матерью и плодом по поводу того, кто должен контролировать рост плода, при этом плод предпочел бы оптимальный рост, а мать предпочла бы контролировать рост плода относительно уровня доступных ей ресурсов.

Роль плаценты

В плацента играет важную роль в этом конфликте, поскольку является источником доставки питательных веществ от матери к плоду, а также получает сигналы как от матери, так и от плода. Считается, что плацента играет уравновешивающую роль в конфликте между матерью и плодом и придает оптимальную приспособленность плоду с учетом ограничений в развитии, связанных с доступностью ресурсов матери. Например, Резерфорд и Тардифф предположили, что у мартышек с переменным размером помета, пометы троек были связаны с меньшей долей плаценты каждый, предполагая, что плоды были способны повысить эффективность плаценты, возможно, за счет изменения структуры и функции плаценты, чтобы добиться дополнительных материнских ресурсов перед лицом конкуренции между плодами за ограниченные материнские ресурсы.^[4] Тем не менее, они также отмечают, что редкость успешных беременностей и отлучения от полных тройняшек предполагает, что даже перед лицом внутриутробного механизма эффективности материнские механизмы могут в противном случае ограничивать энергетические инвестиции, возможно, особенно после рождения.^[5]

Ключевое открытие, связанное как с внутриутробным, так и с внутригеномным конфликтом, заключается в том, что генотип плода может влиять на физиологию матери.^[6] Манипуляции плода с материнским эндометрием позволяют плоду получить доступ к материнской артериальной крови.^[2] Посредством этой манипуляции мать не может ограничить приток крови к плоду, не ограничивая приток крови к себе. Когда матери не могут защититься от изменений плода, возникают синдромы, связанные с беременностью, такие как гестационный диабет и преэклампсия. Сахарный диабет при беременности возникает, когда более высокий уровень глюкозы в крови приводит к увеличению выработки инсулина в ответ на резистентность плода к инсулину. Преэклампсия Повышенное кровяное давление во время беременности может быть результатом манипуляций с плодом, которые увеличивают кровоток.

Геномный импринтинг

Геномный импринтинг относится к различным эффектам одного и того же гена в зависимости от того, был ли ген унаследован от матери или отца. В то время как большинство генов не имеют различных эффектов в зависимости от их родительского происхождения, существует небольшая подгруппа. Эти гены называются импринтированными. Импринтинг возникает, когда эффект экспрессии гена в потомстве может иметь сильное влияние на приспособленность родителей.^[7] Например, гены, которые участвуют в получении потомством ресурсов от матери, очень полезны для приспособленности отца, потому что его потомство, у которого есть гены, которые очень успешно используют ресурсы матери, вероятно, выживет и будет воспроизводиться. Кроме того, отец не несет прямых затрат на кормление грудью ребенка, тогда как мать оплачивает расходы. В этом случае следует выбрать отцовскую копию этих генов, чтобы получить больше ресурсов, чем материнская копия этих генов. В настоящее время известно около 100 импринтированных генов у мышей и 50 - у людей. Некоторые импринтированные гены, по-видимому, не действуют, или, если ген явно связан с функцией, импринтированная экспрессия гена не влияет.

Как и внутриутробный конфликт, геномный импринтинг считается тесно связанным с плацентой, потому что доказательства геномного импринтинга обнаруживаются только у плацентарных млекопитающих, что приводит к гипотезе о том, что геномный импринтинг и плацентация эволюционно связаны.^[8] Показано, что экспрессия импринтированного гена является неотъемлемой частью нормального развития и функционирования плаценты.^[9] Более того, сеть передачи сигналов, которая выражается между плодом, плацентой и материнским гипоталамусом, вероятно, является результатом совместной адаптации экспрессии генов, связанной с ростом плода и развитием мозга.^[10]

Расстройства импринтинга

Открытие феномена геномного импринтинга помогло исследователям понять основу нескольких расстройств с неясными в остальном закономерностями наследования, включая синдромы Прадера-Вилли / Ангельмана, синдром Беквита-Видемана и синдром Сильвера-Рассела.^[10] Считается, что нарушения импринтинга связаны с аномальным метилированием ДНК, которое может включать множественные импринтированные локусы.^[11] Доказательства того, что вспомогательные репродуктивные технологии и факторы окружающей среды в период зачатия, такие как питание матери, участвуют в нарушениях, связанных с импринтингом, указывают на связь между здоровьем ооцитов и правильным развитием импринтинга.^[12]

Синдром Прадера-Вилли и синдром Ангельмана

Прадер-Вилли и синдром Ангельмана - это генетические нарушения, которые возникают, когда единственная копия импринтированного гена является «молчаливой» копией, а активная копия отсутствует либо из-за делеции, либо из-за дисомии у одного родителя. Оба они обусловлены отсутствием экспрессии гена в 15q11-q13, причем Прадера-Вилли, как полагают, отражает отсутствие отцовского гена, а синдром Ангельмана отражает отсутствие материнской копии.^[13]

В случае синдрома Прадера-Вилли отцовская копия отсутствует, а материнская «молчаливая» копия присутствует. Синдром Прадера-Вилли характеризуется низкой массой тела при рождении, гиперсоналентностью, низким аппетитом и плохим кормлением грудью. У ребенка обычно появляется ненасытный аппетит примерно в возрасте 1-2 лет, что обычно приводит к раннему началу ожирения. Дети с синдромом Прадера-Вилли обычно имеют пониженный рост в детстве и отсутствие полового созревания.

Теория родства

Парадигма, используемая для изучения геномного импринтинга, - это теория родства.^[14][13] Теория родства утверждает, что импринтинг развивается из-за конфликтов между интересами отцовских и материнских генов у младенца, особенно в отношении использования младенцем материнских ресурсов.^[15][16] У матерей могут быть дети от разных отцов, поэтому ожидается, что отцовские гены будут использовать материнские ресурсы в пользу роста потомства, в то время как материнские гены, как ожидается, будут ограничивать распределение материнских ресурсов для распределения ресурсов между несколькими потомками.

Согласно теории родства, возникновение синдрома Прадера-Вилли теоретически связано с отсутствием отцовского гена, и единственной копией является материнская «молчащая» копия. В этом случае ожидается, что ребенок будет проявлять поведение, которое снижает материнские издержки в эволюционной истории. В частности, снижение реакции младенца на кормление и снижение аппетита в течение многих лет, когда ребенок будет почти полностью полагаться на грудное молоко от матери, позволит матерям распределять свои ресурсы между собой и несколькими потомками. По оценкам, кормление грудью ребенка обходится дополнительно примерно в 500 ккал в день, если во время лактации не потребляется дополнительная энергия, используются запасы тела, что делает грудное вскармливание дорогостоящим делом матери.^[17] Низкий аппетит в раннем возрасте сопровождается внезапным появлением аппетита и пищевым поведением в возрасте около 2 лет. В традиционных натуральных сообществах это соответствует возрасту, в котором дети будут отлучены от грудного молока и предложат дополнительную твердую пищу.^[18] Вероятно, что эти продукты для отлучения от груди были менее затратными для матери, чем кормление грудью, либо потому, что сбор этих продуктов был для нее менее энергетически затратным, либо она могла полагаться на социальных партнеров, которые помогли ей в сборе пищи. Таким образом, Прадер-Вилли позволяет нам увидеть роли обычно невидимых эффектов импринтинга, которые возникают в связи с наследственными родительскими конфликтами обеспечения.^[19] У типично развивающихся особей импринтированные гены, связанные с синдромом Прадера-Вилли и Ангельмана, уравновешиваются в «перетягивании каната», разработанном естественным отбором. Однако, когда один из этих генов отсутствует, баланс нарушается, и эффекты приводят к фенотипам, наблюдаемым при этих нарушениях.

Менопауза

Некоторые авторы утверждали, что вариабельность в сроках начала и выражении симптомов менопауза может представлять собой внутригеномный конфликт.^[20] Репродуктивная способность женщин заканчивается примерно в 50 лет, что примерно на два десятилетия раньше ожидаемой продолжительности жизни женщин, в том числе в сообществах, не имеющих доступа к медицинской помощи. Многие задаются вопросом, почему возникла менопауза, поскольку женщины, у которых не было менопаузы, могли бы улучшить свою физическую форму, расширив свои репродуктивные способности и родив больше детей. В Гипотеза бабушки утверждает, что менопауза возникла потому, что это адаптация, которая увеличивает физическую форму женщины через инклюзивную приспособленность, которая продвигает ее гены через родственников, таких как внуки.^[21] Селективные силы, связанные с наступлением менопаузы, могут быть разными в зависимости от отцовских и материнских интересов. Экологические различия в моделях расселения по признаку пола в среде предков могут быть связаны с нынешними различиями между популяциями в отношении начала и симптоматики менопаузы. В таком случае женщины, чьи предки эволюционировали в популяциях с более низким женским предубеждением при расселении, с большей вероятностью будут испытывать более серьезные симптомы и более раннюю менопаузу, чем женщины, чьи предки эволюционировали в популяциях с более высоким женским предубеждением при расселении.^[20]

Рекомендации

1. Триверс Р.Л. (1972). «Родительские инвестиции и половой отбор». В Кэмпбелле B (ред.). Половой отбор и происхождение человека. Рутледж. С. 136–179. Дои:10.4324/9781315129266-7. ISBN  9781315129266.
2. Хейг Д. (декабрь 1993 г.). «Генетические конфликты при беременности человека». Ежеквартальный обзор биологии. 68 (4): 495–532. Дои:10.1086/418300. PMID  8115596.
3. Фоуден А. Л., Мур Т. (ноябрь 2012 г.). «Распределение материнско-плодных ресурсов: сотрудничество и конфликт». Плацента. 33 Дополнение 2: e11-5. Дои:10.1016 / j.placenta.2012.05.002. PMID  22652046.
4. Резерфорд Дж. Н., Тардиф С. Д. (сентябрь 2008 г.). «Плацентарная эффективность и стратегии распределения внутриутробных ресурсов при беременности обыкновенной мартышки». Американский журнал физической антропологии. 137 (1): 60–8. Дои:10.1002 / ajpa.20846. PMID  18470898.
5. Резерфорд Дж. Н., Тардиф С. (2009). Форд С.М., Портер Л.М., Дэвис Л.С. (ред.). Маленький помощник матери? Плацента и ее роль во внутриутробных материнских вкладах у обыкновенной мартышки (Callithrix jacchus). Самые маленькие антропоиды: мартышка / каллимико Radiation. Развитие приматологии: достижения и перспективы. Springer США. С. 301–329. Дои:10.1007/978-1-4419-0293-1_16. ISBN  9781441902931.
6. Петри С.Дж., Онг К.К., Дангер ДБ (октябрь 2007 г.). «Влияет ли генотип плода на физиологию матери во время беременности?». Тенденции в молекулярной медицине. 13 (10): 414–21. Дои:10.1016 / j.molmed.2007.07.007. PMID  17900986.
7. Уилкинс Дж. Ф., Хейг Д. (май 2003 г.). «Что хорошего в геномном импринтинге: функция экспрессии генов, специфичных для родителей». Обзоры природы. Генетика. 4 (5): 359–68. Дои:10.1038 / nrg1062. PMID  12728278. S2CID  7083206.
8. Вармуза С., Мири К. (январь 2015 г.). «Что генетика говорит нам об импринтинге и связи плаценты?». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 72 (1): 51–72. Дои:10.1007 / s00018-014-1714-0. PMID  25194419. S2CID  6014851.
9. Frost JM, Moore GE (июль 2010 г.). «Важность импринтинга в плаценте человека». PLOS Genetics. 6 (7): e1001015. Дои:10.1371 / journal.pgen.1001015. ЧВК  2895656. PMID  20617174.
10. Петерс Дж. (Август 2014 г.). «Роль геномного импринтинга в биологии и болезни: расширяющийся взгляд». Обзоры природы. Генетика. 15 (8): 517–30. Дои:10.1038 / nrg3766. PMID  24958438. S2CID  498562.
11. Azzi S, Rossignol S, Steunou V, Sas T, Thibaud N, Danton F, Le Jule M, Heinrichs C, Cabrol S, Gicquel C, Le Bouc Y, Netchine I (декабрь 2009 г.). «Анализ мультилокусного метилирования в большой когорте нарушений роста плода, связанных с 11p15 (синдромы Рассела Сильвера и Беквита Видемана), показывает одновременную потерю метилирования в отцовских и материнских импринтированных локусах». Молекулярная генетика человека. 18 (24): 4724–33. Дои:10,1093 / hmg / ddp435. PMID  19755383.
12. Вармуза С., Мири К. (январь 2015 г.). «Что генетика говорит нам об импринтинге и связи плаценты?». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 72 (1): 51–72. Дои:10.1007 / s00018-014-1714-0. PMID  25194419. S2CID  6014851.
13. Хейг Д., Уортон Р. (2003). «Синдром Прадера-Вилли и эволюция детства человека». Американский журнал биологии человека. 15 (3): 320–9. Дои:10.1002 / ajhb.10150. PMID  12704708. S2CID  42943937.
14. Хейг Д. (2000). "Теория родства геномного импринтинга". Ежегодный обзор экологии и систематики. 31 (1): 9–32. Дои:10.1146 / annurev.ecolsys.31.1.9.
15. Мур Т., Хейг Д. (февраль 1991 г.). «Геномный импринтинг в развитии млекопитающих: перетягивание каната между родителями». Тенденции в генетике. 7 (2): 45–9. Дои:10.1016 / 0168-9525 (91) 90230-Н. PMID  2035190.
16. Хейг Д. (2004). «Геномный импринтинг и родство: насколько хороши доказательства?». Ежегодный обзор генетики. 38 (1): 553–85. Дои:10.1146 / annurev.genet.37.110801.142741. PMID  15568986.
17. Коминиарек М.А., Раджан П. (ноябрь 2016 г.). «Рекомендации по питанию при беременности и кормлении грудью». Медицинские клиники Северной Америки. 100 (6): 1199–1215. Дои:10.1016 / j.mcna.2016.06.004. ЧВК  5104202. PMID  27745590.
18. Селлен Д.В. (октябрь 2001 г.). «Сравнение моделей вскармливания младенцев для непромышленных групп населения с текущими рекомендациями». Журнал питания. 131 (10): 2707–15. Дои:10.1093 / jn / 131.10.2707. PMID  11584094.
19. Убеда Ф (август 2008 г.). «Эволюция геномного импринтинга с заботой о двух родителях: последствия для синдромов Прадера-Вилли и Ангельмана». PLOS Биология. 6 (8): e208. Дои:10.1371 / journal.pbio.0060208. ЧВК  2525684. PMID  18752349.
20. Убеда Ф, Охцуки Х, Гарднер А (февраль 2014 г.). «Экология вызывает внутригеномный конфликт из-за менопаузы». Письма об экологии. 17 (2): 165–74. Дои:10.1111 / ele.12208. ЧВК  3912906. PMID  24320989.
21. Хоукс К., О'Коннелл Дж. Ф., Джонс Н. Г., Альварес Х., Чарнов Е. Л. (февраль 1998 г.). «Бабушка, менопауза и эволюция историй жизни человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 95 (3): 1336–9. Bibcode:1998PNAS ... 95.1336H. Дои:10.1073 / пнас.95.3.1336. ЧВК  18762. PMID  9448332.