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Warum war Polyploidie bei bestimmten Oktodontiden-Nagetieren nicht tödlich?

Warum war Polyploidie bei bestimmten Oktodontiden-Nagetieren nicht tödlich?


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Wie in Warum ist Polyploidie für einige Organismen tödlich, für andere nicht?, ist Polyploidie bei Säugetieren normalerweise tödlich.

Zwei Arten von Octodontidae (südamerikanische Nagetiere) sind jedoch aufgrund einer kürzlichen Verdoppelung aller Chromosomen tetraploid:

  • Tympanoctomys barrerae: 4x = 102
  • Pipanacoctomys aureus: 4x = 92 (anscheinend gingen einige Chromosomen nach dem Polyploidie-Ereignis verloren)

Siehe das Papier zur Diskussion T. barrerae, das erste dieser tetraploiden Nagetiere entdeckt.

Laut Wikipedia-Artikel sollen beide von derselben Spezies abstammen. Octomys mimax (oder möglicherweise ausgestorbene nahe Verwandte davon), die 2x = 2n = 56 Chromosomen hat, die Hälfte von T. barrerae.

Was war das Besondere daran Octomys das es ihm erlaubt, im Gegensatz zu den meisten Säugetieren Polyploidie zu überleben?

Interessant:

Der Spermienkopf von Tympanoctomys ist bei weitem der größte, der bei Säugetieren natürlich vorkommt, und seine Größe hängt ursächlich mit der doppelten Genomgröße zusammen, die er aufnehmen muss.


Tatsächlich wird das in der von Ihnen verlinkten Frage nicht diskutiert. Das Folgende ist ein Zitat aus der sehr umfassenden akzeptierten Antwort (Hervorhebung von mir):

Polyploidie tritt sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen leicht auf, aber reproduktive Strategien können sie unter bestimmten Umständen daran hindern, sich zu vermehren. eher als eine Verringerung der Fitness aufgrund der Genomduplikation.

Versuchen Sie tatsächlich, diese Antwort und die darin enthaltenen Verweise noch einmal zu lesen. Sie beantworten Ihre allgemeine Frage.

Es gibt eine weit verbreitete (meist akzeptierte) Theorie, dass es bei der Vorfahren der Wirbeltiere zu Whole Genome Duplication Events (WGDs) gekommen ist. Wenn wahr, bedeutet dies, dass alle Säugetiere die Nachkommen polyploider Vorfahren sind. Einen sehr schönen Überblick über WGDs in der Wirbeltierevolution finden Sie hier [1]. Octomys ist einfach der einzige bekannt Säugetier mit einem neueren WGD-Ereignis. Was es besonders macht (aus [2]):

Unsere Daten zeigen, dass das elterliche spezifische Silencing von mindestens einem Gen und der normale X-chromosomale Dosismechanismus im tetraploiden Genom konserviert sind. Wir vermuten eine konzertierte Wirkung genetischer und epigenetischer Mechanismen während des Prozesses der funktionellen Diploidisierung dieses tetraploiden Genoms.

1) Van de Peer Y, Maere S, Meyer A., ​​Die evolutionäre Bedeutung alter Genomduplikationen., Nat. Rev Genet. 2009 Okt;10(10):725-32.

2) Schläger C, et al., Epigenetische Prozesse bei einem tetraploiden Säugetier, Mamm Genom. 2008 Juni;19(6):439-47.


5.10: Arten von Speziationen

Die biologische Definition von Arten, die für sich sexuell reproduzierende Organismen funktioniert, ist eine Gruppe von tatsächlich oder potenziell sich kreuzenden Individuen. Es gibt Ausnahmen von dieser Regel. Viele Arten sind ähnlich genug, dass hybride Nachkommen möglich sind und oft in der Natur vorkommen können, aber für die meisten Arten gilt diese Regel im Allgemeinen. Tatsächlich deutet das Vorhandensein von Hybriden zwischen ähnlichen Arten in der Natur darauf hin, dass sie möglicherweise von einer einzigen sich kreuzenden Art abstammen und der Artbildungsprozess möglicherweise noch nicht abgeschlossen ist.

Angesichts der außergewöhnlichen Vielfalt des Lebens auf dem Planeten muss es Mechanismen geben, um Artbildung: die Bildung von zwei Arten aus einer ursprünglichen Art. Darwin stellte sich diesen Prozess als Verzweigungsereignis vor und skizzierte den Prozess in der einzigen Abbildung, die in gefunden wurde Zur Entstehung der Arten (Abbildung 1a). Vergleichen Sie diese Abbildung mit dem Diagramm der Elefantenevolution (Abbildung 1b), das zeigt, dass sich eine Art im Laufe der Zeit immer wieder zu mehr als einer neuen Art verzweigt, solange die Population überlebt oder bis der Organismus ausgestorben ist.

Abbildung 1. Die einzige Illustration in Darwin&rsquos Zur Entstehung der Arten ist (a) ein Diagramm, das Artenbildungsereignisse zeigt, die zur biologischen Vielfalt führen. Das Diagramm zeigt Ähnlichkeiten zu phylogenetischen Diagrammen, die heute erstellt werden, um die Verwandtschaft der Arten zu veranschaulichen. (b) Moderne Elefanten entwickelten sich aus dem Palaeostodon, eine Spezies, die vor 35 und 50 Millionen Jahren in Ägypten lebte.

Damit eine Artbildung stattfinden kann, müssen aus einer ursprünglichen Population zwei neue Populationen gebildet werden und diese müssen sich so entwickeln, dass es für Individuen der beiden neuen Populationen unmöglich wird, sich zu kreuzen. Biologen haben Mechanismen vorgeschlagen, durch die dies geschehen könnte, die in zwei große Kategorien fallen. Allopatrische Spezies (allo&ndash = &ldquoother&rdquo &ndashpatric = &ldquohomeland&rdquo) beinhaltet die geografische Trennung von Populationen von einer Elternart und die anschließende Evolution. Sympatrische Artbildung (sym&ndash = &ldquosam&rdquo &ndashpatric = &ldquohomeland&rdquo) beinhaltet die Artbildung innerhalb einer Elternart, die an einem Ort verbleibt.

Biologen betrachten Artbildungsereignisse als die Aufspaltung einer Vorfahrenart in zwei Nachkommenarten. Es gibt keinen Grund, warum nicht mehr als zwei Arten gleichzeitig gebildet werden sollten, außer dass dies weniger wahrscheinlich ist und mehrere Ereignisse als einzelne Aufspaltungen konzeptualisiert werden können, die zeitlich nahe liegen.


Artbildung durch geografische Trennung

Eine geographisch kontinuierliche Population hat einen relativ homogenen Genpool. Der Genfluss, die Bewegung von Allelen über das Verbreitungsgebiet der Art, ist relativ frei, da sich Individuen bewegen und sich dann mit Individuen an ihrem neuen Standort paaren können. Somit ist die Häufigkeit eines Allels an einem Ende einer Verteilung ähnlich der Häufigkeit des Allels am anderen Ende. Wenn Populationen geografisch diskontinuierlich werden, wird dieser freie Fluss von Allelen verhindert. Wenn diese Trennung eine gewisse Zeit andauert, können sich die beiden Populationen entlang unterschiedlicher Trajektorien entwickeln. Somit werden ihre Allelfrequenzen an zahlreichen genetischen Loci allmählich immer unterschiedlicher, da neue Allele unabhängig durch Mutation in jeder Population entstehen. Typischerweise unterscheiden sich die Umweltbedingungen wie Klima, Ressourcen, Raubtiere und Konkurrenten für die beiden Populationen, was dazu führt, dass die natürliche Selektion unterschiedliche Anpassungen in jeder Gruppe begünstigt. Unterschiedliche Vorgeschichten der genetischen Drift, die dadurch verstärkt werden, dass die Populationen kleiner sind als die Elternpopulation, werden ebenfalls zu Divergenzen führen.

Bei ausreichender Zeit wird die genetische und phänotypische Divergenz zwischen Populationen wahrscheinlich Merkmale beeinflussen, die die Fortpflanzung so stark beeinflussen, dass Individuen der beiden Populationen zusammengebracht würden, eine Paarung weniger wahrscheinlich wäre oder die Nachkommen im Falle einer Paarung nicht lebensfähig oder unfruchtbar wären. Viele Arten von divergierenden Merkmalen können die reproduktive Isolation (Unfähigkeit zur Kreuzung) der beiden Populationen beeinträchtigen. Diese Mechanismen der reproduktiven Isolation können in präzygote Mechanismen (die vor der Befruchtung wirken) und die postzygoten Mechanismen (die nach der Befruchtung wirken) unterteilt werden. Präzygote Mechanismen umfassen Merkmale, die es den Individuen ermöglichen, einander zu finden, wie der Zeitpunkt der Paarung, die Empfindlichkeit gegenüber Pheromonen oder die Wahl der Paarungsorte. Wenn Individuen in der Lage sind, einander zu begegnen, können Charakterunterschiede verhindern, dass Balzrituale zu einer Paarung führen, entweder weil sich die weiblichen Vorlieben geändert haben oder sich das männliche Verhalten geändert hat. Physiologische Veränderungen können eine erfolgreiche Befruchtung beeinträchtigen, wenn eine Paarung stattfinden kann. Postzygotische Mechanismen umfassen genetische Inkompatibilitäten, die eine ordnungsgemäße Entwicklung der Nachkommen verhindern, oder wenn die Nachkommen leben, können sie nicht in der Lage sein, selbst lebensfähige Gameten zu produzieren, wie im Beispiel des Maultiers, der unfruchtbaren Nachkommen eines weiblichen Pferdes und eines männlichen Esels.

Wenn die beiden isolierten Populationen wieder zusammengebracht werden und die hybriden Nachkommen, die sich aus der Paarung zwischen Individuen der beiden Populationen gebildet haben, eine geringere Überlebensrate oder eine verringerte Fruchtbarkeit haben, dann wird die Selektion Individuen begünstigen, die in der Lage sind, zwischen potenziellen Paaren ihrer eigenen Population und der anderen zu unterscheiden Population. Diese Auswahl wird die reproduktive Isolation verbessern.

Die Isolierung von Populationen, die zur allopatrischen Artbildung führt, kann auf verschiedene Weise erfolgen: durch einen Fluss, der einen neuen Zweig bildet, durch Erosion, die ein neues Tal bildet, oder durch eine Gruppe von Organismen, die an einen neuen Ort reisen, ohne zurückkehren zu können, z das Meer zu einer Insel. Die Art der geografischen Trennung, die zur Isolierung von Populationen erforderlich ist, hängt vollständig von der Biologie des Organismus und seinem Ausbreitungspotential ab. Wenn sich zwei fliegende Insektenpopulationen in getrennten nahegelegenen Tälern niederließen, besteht die Möglichkeit, dass Individuen jeder Population hin und her fliegen und den Genfluss fortsetzen. Wenn jedoch zwei Nagetierpopulationen durch die Bildung eines neuen Sees geteilt würden, wäre ein fortgesetzter Genfluss unwahrscheinlich, daher wäre eine Artbildung wahrscheinlicher.

Biologen gruppieren allopatrische Prozesse in zwei Kategorien. Ziehen einige Vertreter einer Art in ein neues geografisches Gebiet, spricht man von Ausbreitung. Wenn eine natürliche Situation entsteht, um Organismen physisch zu teilen, wird dies als Vikariat bezeichnet.

Wissenschaftler haben zahlreiche Fälle von allopatrischer Artbildung dokumentiert. An der Westküste der Vereinigten Staaten gibt es beispielsweise zwei separate Unterarten von gefleckten Eulen. Die Nördliche Gefleckte Eule weist genetische und phänotypische Unterschiede zu ihrem nahen Verwandten, der im Süden lebenden Mexikanischen Gefleckten Eule, auf (Abb. 11.4.2). Die Ursache für ihre anfängliche Trennung ist nicht klar, aber sie könnte durch die Gletscher der Eiszeit verursacht worden sein, die eine anfängliche Population in zwei Teile teilten. 1

Abbildung 11.4.2: Der Nördliche Tüpfelkauz und der Mexikanische Tüpfelkauz bewohnen geografisch getrennte Standorte mit unterschiedlichen Klimaten und Ökosystemen. Die Eule ist ein Beispiel für eine beginnende Artbildung. (Credit &ldquonorthern spotted eule&rdquo: Modifikation der Arbeit von John und Karen Hollingsworth, USFWS Credit &ldquoMexican Spotted Owl&rdquo: Modifikation der Arbeit von Bill Radke, USFWS)

Darüber hinaus haben Wissenschaftler herausgefunden, dass es umso wahrscheinlicher ist, dass eine Artbildung stattfindet, je weiter die Entfernung zwischen zwei Gruppen, die einst dieselbe Art waren, ist. Dies erscheint logisch, denn mit zunehmender Entfernung hätten die verschiedenen Umweltfaktoren wahrscheinlich weniger Gemeinsamkeiten als Standorte in unmittelbarer Nähe. Betrachten Sie die beiden Eulen im Norden, das Klima ist kühler als im Süden Einsen. Diese Abweichungen können zu entwickelten Unterschieden bei den Eulen führen, und im Laufe der Zeit wird wahrscheinlich eine Artbildung auftreten, es sei denn, der Genfluss zwischen den Populationen wird wiederhergestellt.

In einigen Fällen verteilt sich eine Population einer Art über ein Gebiet, und jede findet eine eigene Nische oder einen isolierten Lebensraum. Im Laufe der Zeit führen die unterschiedlichen Anforderungen ihres neuen Lebensstils zu mehreren Artenbildungsereignissen, die von einer einzigen Art ausgehen, die als adaptive Strahlung bezeichnet wird. Von einem Ursprungspunkt aus entwickeln sich viele Anpassungen, die dazu führen, dass die Art in mehrere neue ausstrahlt. Inselarchipele wie die Hawaii-Inseln bieten einen idealen Kontext für adaptive Strahlungsereignisse, da jede Insel von Wasser umgeben ist, was für viele Organismen zu einer geografischen Isolation führt (Abbildung 11.4.3). Ein Beispiel für adaptive Strahlung ist der Hawaiian Honeycreeper. Aus einer einzigen Art, der sogenannten Gründerart, haben sich zahlreiche Arten entwickelt, darunter die acht in Abbildung 11.4.3.

Abbildung 11.4.3: Die Wabenvögel veranschaulichen die adaptive Strahlung. Aus einer ursprünglichen Vogelart entwickelten sich mehrere andere, jede mit ihren eigenen charakteristischen Merkmalen.

Beachten Sie die Unterschiede bei den Artenschnäbeln in Abbildung 11.4.3. Die Veränderung der genetischen Variation von Schnäbeln als Reaktion auf die natürliche Selektion auf der Grundlage spezifischer Nahrungsquellen in jedem neuen Lebensraum führte zur Entwicklung eines anderen Schnabels, der für die spezifische Nahrungsquelle geeignet ist. Die frucht- und samenfressenden Vögel haben dickere, stärkere Schnäbel, die zum Brechen harter Nüsse geeignet sind. Die nektarfressenden Vögel haben lange Schnäbel, um in Blüten zu tauchen, um an ihren Nektar zu gelangen. Die insektenfressenden Vögel haben Schnäbel wie Schwerter, die zum Stechen und Aufspießen von Insekten geeignet sind. Darwinfinken sind ein weiteres gut untersuchtes Beispiel für adaptive Strahlung in einem Archipel.


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Warum war Polyploidie bei bestimmten Oktodontiden-Nagetieren nicht tödlich? - Biologie

Übersichtsartikel - Journal of Cancer Immunology (2020) Band 2, Ausgabe 4

Neue Strategien zum Angriff polyploider Krebszellen

Jing Zhang 1 , Shenqiu Zhang 1 , Qiong Shi 1 , Dun Yang 1,2 , Thaddeus D. Allen 1*

1 Anticancer Bioscience, Ltd. und das J. Michael Bishop Institute of Cancer Research, Chengdu, China 640000

2 Chengdu Universität für Traditionelle Chinesische Medizin, 1166 Liutai Avenue, Wenjiang District, Chengdu, China 611137

*Korrespondierender Autor: Thaddäus D. Allen
Email:[email protected]

Empfangsdatum: 23. Oktober 2020 Akzeptiertes Datum: 12. November 2020

Zitat: J. Zhang, S. Zhang, Q. Shi, D. Yang, TD Allen. Neue Strategien zum Angriff polyploider Krebszellen. J Krebsimmunol. 2020 2(4): 199-206.

Urheberrechte ©: &Kopie 2020 Zhang J, et al. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution License vertrieben wird und die uneingeschränkte Verwendung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium gestattet, sofern der ursprüngliche Autor und die Quelle angegeben werden.

Abstrakt

Polyploide Krebszellen können de novo in Tumoren entstehen oder durch Therapeutika induziert werden, die unbeabsichtigt die Rate des zytokinetischen Versagens erhöhen. Diese Zellen weisen bei vielen Krebsarten ein schlechtes Ergebnis auf, da polyploide Krebszellen fehleranfällige reduktive Zellteilungen durchlaufen können, um aneuploide Nachkommen zu ergeben. Das Immunsystem hat Mechanismen entwickelt, mit denen es polyploide Krebszellen spezifisch erkennen und entfernen kann, aber diese scheinen mit Malignität manipuliert zu sein, so dass polyploide Zellen persistieren und die Entwicklung von Krebszellklonen fördern können, die gegen Therapeutika resistent sind und metastasierendes Potenzial haben. Hier untersuchen wir Mechanismen, durch die polyploide Krebszellen entstehen können, werden vom Immunsystem überwacht und therapeutische Strategien, die polyploide Krebszellen verhindern oder direkt angreifen können.

Schlüsselwörter

Polyploid, Mitose, Therapeutika, Apoptose, Krebs, Immunüberwachung

Normale polyploide Zellen

Während Zellen mit einem 2n-Komplement an Chromosomen als diploid definiert werden, werden Zellen, die mehr als 2n besitzen, als polyploid bezeichnet. Der zusätzliche DNA-Gehalt polyploider Zellen mag sehr unterschiedlich erscheinen, aber polyploide Zellen existieren in Säugetieren und spielen eine wichtige Rolle sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Gewebehomöostase [1]. Plazentare Syncytiotrophoblasten zum Beispiel bilden die Schnittstelle zwischen dem mütterlichen Blut und der Embryonalflüssigkeit. Diese Zellen ermöglichen den Gas- und Nährstoffaustausch und produzieren Hormone, die die Schwangerschaft aufrechterhalten. Sie sind mehrkernige Zellen und werden durch Fusion der darunter liegenden diploiden Zytotrophoblastenzellen gebildet und aufrechterhalten [2]. Polyploidisierung kann alternativ auftreten, wenn das Genom repliziert wird, aber Zellen keine Zytokinese durchlaufen. Diese Situation tritt bei der Reifung von Megakaryozyten (MKs) auf. Sie entwickeln sich aus diploiden, hämatopoetischen Stammzellen des Knochenmarks, werden aber während der Reifung durch Endoreplikation, der Replikation von DNA ohne Zellteilung, polyploid. Dieser Prozess wird durch das Hormon Thrombopoietin angetrieben und kann zu einem DNA-Gehalt von bis zu 64n führen [3]. Der letzte Reifungsschritt für MKs erfordert die Extrusion des Kerninhalts und die Bildung von Proplättchenstrukturen aus ihrem Zytoplasma. Obwohl immer noch diskutiert, hängt der Bedarf an Polyploidie bei der MK-Entwicklung wahrscheinlich mit dem Bedarf an großen Mengen an mRNA und Protein zusammen, die schließlich zur Gerinnung und Reparatur in Blutplättchen verpackt werden.

Synzytiotrophoblasten, die durch Zellfusion gebildet werden, und MKs, durch Endoreplikation, repräsentieren zwei verschiedene, spezialisierte Zelltypen, bei denen Polyploidie eine wichtige physiologische Rolle spielt. Aberrante polyploide Krebszellen können auch entstehen, wenn die normalen Kontrollen und das Gleichgewicht der Zellteilung in pseudodiploiden Krebszellen beeinträchtigt sind. Im Folgenden skizzieren wir, wie polyploide Krebszellen entstehen und warum diese Population von Krebszellen angegriffen wird.

Polyploide Krebszellen

Onkogene Veränderungen, die bei Krebs auftreten, begünstigen mitotischen Schlupf und zytokinetisches Versagen. Diese Unterbrechung erleichtert die Aneuploidie, eine numerische Veränderung in einem Bruchteil des diploiden Chromosomensatzes. Zum Beispiel Mutationen mit Funktionsverlust bei Tumorsuppressoren wie BRCA2 [4], TP53 [5] und APC [6] erhöhen alle die Rate des zytokinetischen Versagens, während die Aktivierung von Kinase-Mutationen die Genauigkeit der Mitose beeinträchtigen kann. Signalkaskaden konvergieren, um die Biogenese und Funktion von Zentrosomen, die Integrität des mitotischen Spindel-Assembly-Checkpoints (SAC) und den Abschluss der Zytokinese zu beeinflussen [7-9]. Der SAC dient als Schutz für die genaue Segregation der Chromosomen, indem er die korrekte Anheftung von Kinetochoren an Mikrotubuli der mitotischen Spindel und optimale Spannung zwischen bi-orientierten Schwester-Kinetochoren vor dem Übergang in die Anaphase sicherstellt (zur Übersicht siehe [10-12]). Es wird angenommen, dass Defekte in der Chromosomensegregation auf einen Bypass des SAC zurückzuführen sind. Somit können frühere onkogene Ereignisse als Auftakt für eine weitere intratumorale genetische Heterogenität dienen, indem sie Aneuploidie fördern. Dies fördert im Laufe der Zeit die Entstehung aggressiverer Krebszellklone. Einzelzell-Sequenzierungstechnologien zeigen weiterhin eine enorme Tiefe der klonalen Heterogenität, die bei Krebs gefunden wird [13].

Ein prominenter Weg zur Aneuploidie kann jedoch ein polyploides Zwischenprodukt beinhalten. Polyploidie unterscheidet sich von Aneuploidie. Polyploidie ist eine numerische Veränderung des gesamten Chromosomensatzes, nicht nur eines Bruchteils. Krebszellen können eine lebensfähige Mitose durchlaufen, können dann aber die Zytokinese nicht abschließen, was zur Bildung einer mehrkernigen Zelle führt. Im Gegensatz zur konventionellen Ansicht von Polyploidie als einem proliferativ arretierten Zustand weisen die gesammelten Daten darauf hin, dass polyploide Zellen reduktive Teilungen durchlaufen können, die fehleranfällig sein können, was zu hoch aneuploiden Nachkommen führt, die lebensfähig und proliferativ sind [14]. Im Vergleich zur Diploidie dient die Polyploidie als belastbares Zwischenprodukt der Aneuploidie, da der erhöhte DNA-Gehalt den Verlust essentieller Chromosomen besser abpuffert [15].

Zellen mit 4n, 8n oder mehr sind in vielen Tumoren vorhanden und das Vorhandensein polyploider Zellen wird als schlechter prognostischer Indikator bei multiplen Krebsarten erkannt [16-18]. Insbesondere bei Leukämien ist seit langem bekannt, dass es sich um ein schlechtes Outcome handelt [19]. Der polyploide Pool von Tumorzellen kann also als ständige Quelle dienen, aus der Zellen mit variablen genomischen Veränderungen hervorgehen können, die therapeutisch resistente Zellen und Zellen mit erhöhtem Metastasierungspotenzial im Laufe der Zeit produzieren [14,15,20] (umrissen in Abbildung 1).

Polyploide Zellen scheinen besonders gut geeignet zu sein, um ein metastatisches Rezidiv auszusäen. Eine Reaktion auf Polyploidie ist die Entwicklung einer zellulären Seneszenz [21]. Als ruhende Zellen können Polyploide in einzigartiger Weise im Angesicht von Chemotherapeutika überleben, die auf sich teilende Zellen abzielen. Darüber hinaus werden DNA-Schadensreaktionsgene in polyploiden Zellen neu verdrahtet, was die einzelsträngige Basenreparatur und nicht-homologe Endverbindungswege auslöst, um die DNA-Reparaturaktivität zu erhöhen [22]. Die Entstehung polyploider Zellen aus der Seneszenz, um lebensfähige aneuploide Nachkommen zu produzieren, könnte lange nach Beendigung der Chemotherapie zum Wiederauftreten des Tumors beitragen. Mehrere Beweislinien deuten darauf hin, dass sie tatsächlich auftauchen und aggressive Krebszellklone produzieren [14,20,23,24]. Ein nicht vollständig verstandener Aspekt der Biologie polyploider Krebszellen ist die beobachtete Verstärkung von Eigenschaften, die mit hochmalignen Krebsarten in Verbindung gebracht werden, bei Polyploiden, selbst wenn diese Eigenschaften in dem assoziierten diploiden Krebszellpool nicht offensichtlich sind. Beispiele hierfür sind die veränderte Expression von Zellzyklusregulatoren [22,25] und Marker, die mit der epithelialen zu mesenchymalen Transition (EMT) und Krebsstammzellen assoziiert sind [26,27]. Ein detaillierter Überblick über die Verbesserung maligner Eigenschaften in polyploiden Krebszellen wurde veröffentlicht [28].

Wichtig ist, dass polyploide Krebszellen die Fähigkeit haben, Tumorgenese auszusäen, also haben sie krebsstammzellähnliche Eigenschaften. Aus Eierstockkrebszelllinien isolierte polyploide Zellen exprimieren höhere Spiegel des Eierstockkrebs-Stammzellmarkers CD133, bilden Sphäroide in Kultur und Tumoren bei immungeschwächten Mäusen [27]. Am aufschlussreichsten in Bezug auf den Dedifferenzierungsphänotyp dieser Zellen ist vielleicht, dass sie in Zellkulturen selektiv manipuliert werden können, um Eigenschaften mesenchymaler Abstammungslinien aus Fett, Knorpel und Knochen anzunehmen [27]. Die Neigung, sich einer EMT zu unterziehen, wurde seit langem als ein Faktor angesehen, der auf eine metastatische Verbreitung hindeutet, so dass die Vererbung der Entwicklungsplastizität ein wichtiges Merkmal sein kann, das Tochterzellen von einem polyploiden Vorläufer erben.

Eine solche Vererbung könnte epigenetisch sein. Zumindest bei p53-positivem Krebs gibt es Hinweise darauf, dass epigenetische Veränderungen in polyploiden Zellen die Stilllegung von p53-Transziptionszielen ermöglichen, die die Apoptose und den Zellzyklusarrest aktivieren. Zum Beispiel kann der DNA-Methylierungsinhibitor 5-Aza-2-desoxycytidin (5-AzadC) die Expression des p53-Ziel- und Cyclin-abhängigen Kinase-Inhibitors p21 CIP1 wiederherstellen und auch die Empfindlichkeit polyploider Krebszellen gegenüber TNF&alpha wiederherstellen [22]. Die Fähigkeit epigenetischer Veränderungen, an aneuploide Nachkommen von Polyploiden weitergegeben zu werden, ist nicht ausreichend erforscht und kann zur Entstehung von Arzneimittelresistenzen und Metastasen beitragen.

Immunüberwachung

Bei immunkompetenten Mäusen bestehen Tumoren, die nach einer polyploiden Zelltransplantation schließlich entstehen, hauptsächlich aus pseudodiploiden Krebszellen, gehen also aus der Nachkommenschaft einer reduktiven Zellteilung hervor [29]. Die Fähigkeit des Immunsystems, polyploide Zellen spezifisch zu erkennen, könnte ein Mechanismus sein, der diese Verringerung der Ploidie erforderlich macht.

Mechanismen, durch die das Immunsystem polyploide Krebszellen eliminiert, entstehen durch Stresssignale. Das Protein Calreticulin wird an die Plasmamembran polyploider Krebszellen relokalisiert, wo es als Ligand für das LDL-Rezeptor-verwandte Protein (LRP) (auch bekannt als CD91) auf der Oberfläche phagozytischer Zellen wirkt [30]. Um als „eat me&rdquo-Signal zu wirken, muss die Translokation aus dem endoplasmatischen Retikulum (ER) erfolgen, wo Calreticulin normalerweise als molekulares Chaperon fungiert [31]. Starke Beweise dafür, dass Calreticulin für die Immunüberwachung polyploider Zellen von zentraler Bedeutung ist, stammen aus Experimenten, die zeigen, dass die Calreticulin-Exposition auf der Zelloberfläche polyploider Zellen die Tumorentstehung bei immundefizienten Mäusen nicht begrenzt, aber die Tumorentstehung bei Mäusen mit einem intakten Immunsystem [29,32]. Konstitutiver ER-Stress in polyploiden Zellen lenkt Calreticulin an die Zelloberfläche, da Manipulationen, die den ER-Stress lindern, auch den Calretikulintransport zur Zelloberfläche und die Immunogenität reduzieren [29].

Polyploide Zellen unterliegen auch einer erhöhten Immunüberwachung durch Natural Killer (NK)-Zellen. Hyperploidie-induzierende Chemotherapeutika induzieren die Zelloberflächenexpression von Liganden für die NK-Zell-aktivierenden Rezeptoren NKG2D und DNAM-1 [33]. Auch hier spielt die ER-Stressreaktion eine Rolle. Der NKG2D-Ligand MICA wird auf der Oberfläche sowohl von HCT-116-Dickdarmkrebszellen als auch von K-562 myeloischen Leukämiezellen durch ER-Stress hochreguliert und dies löst die zytolytische Aktivität von NKs aus [33]. Polyploidie kann daher die Anti-Tumor-Immunität fördern. Trotz dieser ständigen Immunüberwachung werden Krebserkrankungen oft in einem fortgeschrittenen Stadium mit Aneuploidie, Dissemination und angeborener Fähigkeit, Immuneffektorzellen zu meiden, diagnostiziert. Trotz des Aufkommens von Immuncheckpoint-modulierenden Antikörpern ist die Wiederherstellung der Fähigkeit des Immunsystems, Krebszellen zu identifizieren und anzugreifen, immer noch eine große klinische Herausforderung.

Chemotherapie-induzierte Polyploidie

Die zusätzliche Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass Therapien, die sich teilende Zellen angreifen, unbeabsichtigt die Entwicklung von Polyploidie fördern können. Zum Beispiel induzieren Medikamente, die die mitotische Spindel stören, einen verlängerten mitotischen Stillstand, was zu einer durch eine mitotische Katastrophe induzierten Apoptose führt. Sporadische Zellen entkommen jedoch, vielleicht indem sie unter die Schwelle von induktiven Signalen fallen, die für die Apoptose erforderlich sind. Diese Zellen können alternativ die Zytokinese nicht abschließen und polyploid werden. Aufeinanderfolgende Replikationsrunden mit fehlgeschlagener Zytokinese können Zellen mit einer Ploidie von sogar mehr als 4n ergeben, und während die apoptotische Signalübertragung in durch Nocodazol induzierten tetraploiden Krebszellen noch möglich ist [34], sind tetraploide Zelllinien resistenter gegen Strahlung und DNA-Schäden induzierten Tod als ihre diploide Pendants [35]. Dies deutet darauf hin, dass die Polyploidisierung mit einer gedämpften Fähigkeit einhergeht, intrinsische apoptotische Signalwege zu aktivieren. Im Gegensatz zur Apoptose wurde festgestellt, dass ein verstärkter autophagischer Fluss in polyploiden Krebszellen ihr langfristiges Überleben in einer kontextabhängigen Weise entweder fördert oder unterdrückt [36,37]. Die Persistenz polyploider Krebszellen wird wahrscheinlich durch die Konvergenz mehrerer Fluchtmechanismen ermöglicht.

Mehrere Klassen der Krebstherapie induzieren eine polyploide Zellpopulation, darunter die klinisch eingesetzten Taxane wie Docetaxel [24,38] und Paclitaxel [39], DNA-schädigende Wirkstoffe wie Doxorubicin [40], Bestrahlung [14,41] und Onkoprotein- Targeting-Verbindungen [7,42]. Dazu gehören auch gezielt kinasehemmende Medikamente, die die Mitosemaschinerie direkt angreifen, wie Aurora-Kinase-Hemmer [37,43] und Polo-ähnliche Kinase-Hemmer [44,45]. Wenn Zyklen der Polyploidisierung gefolgt von einer reduktiven Zellteilung die fortschreitende Entstehung von Aneuploidie fördern, dann kann ein Therapeutikum, das auf polyploide Krebszellen abzielt, ein Mittel sein, um diesen Zyklus zu überbrücken, die Evolvierbarkeit des Krebsgenoms anzugreifen und die Gesamtwirksamkeit vieler derzeit verwendeter zu verbessern Therapien.

Verhinderung der Entwicklung polyploider Krebszellen

Theoretisch könnte die Reduzierung der Umwandlung von diploiden Krebszellen in polyploide Zellen eine Strategie sein, um die Entwicklungsfähigkeit einzuschränken. Mehrere Evidenzlinien deuten auf Kombinationstherapien hin, die auf dieses Ziel hinarbeiten. Eine Kombinationstherapie, die zumindest in kultivierten diffusen großzelligen B-Zell-Lymphom (DLBCL)-Zelllinien effektiv auf die polyploide Zellbildung abzielt, ist die kombinierte Anwendung des Histon-Deacetylase-Komplex (HDAC)-Inhibitors Belinostat zusammen mit dem Vinca-Alkaloid Vincristin [46] . Vincristin allein hat wie andere Spindeltoxine die Neigung, neben Mitosestillstand und Apoptose eine gewisse Polyploidie zu induzieren. Belinostat potenziert die apoptotische Reaktion. Die Autoren spekulieren, dass es weniger polyploide Zellen gibt, da weniger Zellen einen verlängerten Arrest, einen mitotischen Schlupf und ein Versagen der Zytokinese erfahren [46]. Mehr Krebszellen erliegen einer akuten Apoptose. Die kooperative Wirkung dieser beiden Medikamente greift also Zellen an, bevor sie die Möglichkeit haben, eine Endoreduplikation zu durchlaufen.

Flavopiridol, ein Breitband-Cyclin-abhängiger Kinase (CDK)-Inhibitor, wurde ebenfalls vorgeschlagen, die Neigung zur polyploiden Zellbildung mit Spindeltoxinen zu reduzieren [47]. Diese Aktivität wird dem G1-Arrest von Krebszellen zugeschrieben und tritt sogar in Zellen auf, denen Tumorsuppressorgene fehlen, die die G1-Checkpoint-Reaktion aufheben und die eine Neigung zur Endoreduplikation nach Behandlung mit Spindeltoxinen aufweisen. Eine zytostatische Wirkung von Flavopiridol kann also die Endoreduplikation und Polyploidie, die durch Spindeltoxine ausgelöst werden, zumindest hemmen in vitro. Die Neigung zur Apoptose, neben einem Flavopiridol-induzierten G1-Arrest aufzutreten, kann sowohl vom Zelltyp als auch von den Medikamenten abhängen, die zusammen mit diesem CDK-Inhibitor verwendet werden (Übersicht siehe [48]).

Die Entwicklung und Aufrechterhaltung der Polyploidie kann mit verwertbaren Energiekosten verbunden sein. Polyploide Zellen haben eine erhöhte Größe und einen erhöhten DNA-Gehalt, und um dies aufrechtzuerhalten, während neue Runden der DNA-Synthese eingeleitet werden, ist im Vergleich zu diploiden Gegenstücken eine erhöhte Energiezufuhr erforderlich. Als Hauptregulator des zellulären Energieverbrauchs übersetzt das mechanistische Ziel des Rapamycin-Komplexes 1 (mTOR1) metabolische und umweltbedingte Hinweise in eine Kaskade von Ereignissen, die anabole Prozesse wie mRNA-Translation und Lipidsynthese ermöglichen und katabole Prozesse wie Autophagie begrenzen können. Die krebshemmenden Wirkungen von Aurora-Kinase-B-Hemmern werden durch die gleichzeitige Behandlung mit mTOR-Hemmern verstärkt [49]. Sowohl Rapamycin als auch Torkinib (PP242) verstärkten die durch den Aurora-Kinase-Inhibitor induzierte Apoptose und die Induktion des autophagen Todes in polyploiden Zellen der akuten myeloischen Leukämie (AML). Es wurde festgestellt, dass der glykolytische Metabolismus in polyploiden Zellen verbessert ist und die Kooperation einem erhöhten metabolischen Stress zugeschrieben wird [49]. In ähnlicher Weise kann die Aktivierung von 5&rsquo AMP-aktivierter Proteinkinase (AMPK), einem direkt vorgelagerten Inhibitor mTOR, entweder durch den Naturstoff Resveratrol oder durch Salicylat, den Wirkstoff von Aspirin, die polyploide Zellbildung hemmen [50]. Dies geschah parallel zur Behandlung mit den polyploidinduzierenden Medikamenten Nocodazol, Cytochalasin D oder einem Aurora-Kinase-B-Inhibitor. Wichtig ist, dass die Anti-Polyploidie-Aktivität validiert wurde in vivo unter Verwendung des APC-min-Modells von Dickdarmkrebs [50].

Angriff auf bestehende polyploide Krebszellen

Ein bevorzugtes Zielen auf polyploide Zellen oder das Verhindern des Übergangs von polyploiden zu aneuploiden Zellen könnte die Tumorprogression verhindern. Hochdurchsatz-Screening nach Verbindungen, die selektiv polyploide Zellen abtöten, deutet darauf hin, dass die Gendosierung ein ausnutzbares Merkmal sein könnte [51]. Beispielsweise ist 8-Azaguanin, eine Verbindung, die eine Umwandlung in einen bioaktiven Metaboliten durch das Enzym Hypoxanthin-Phosphoribosyl-Transferase 1 (HPRT 1 ) erfordert, für polyploide Krebszellen toxischer. Die zusätzlichen Kopien von HRPT 1 in polyploiden Zellen unterliegen dieser Toxizität [51]. Eine veränderte Expression anderer Gene kann ebenfalls verwertbar sein. Es wurde festgestellt, dass Gene, die die meiotische Zellteilung regulieren, in polyploiden Krebszellen hochreguliert sind, zusammen mit Genen, die die mitotische Teilung regulieren [41,52]. Dies bedeutet, dass die Zellteilung, einschließlich der reduktiven Teilungen, die aneuploide Nachkommen produzieren, entweder durch Kernknospen, multipolare Teilung oder auf andere Weise, im Vergleich zu diploiden Zellteilungsproteinen einen anderen Satz von Zellteilungsproteinen nutzen kann. Es ist nicht bekannt, ob meiosespezifische Proteine ​​in polyploiden Zellen unbedingt erforderlich oder arzneimittelfähig sind, aber die Identifizierung solcher Schwachstellen wird zielgerichtete Therapien für polyploide Krebszellen einen Schritt näher bringen.

Eine unterschiedliche Strategie wurde unter Verwendung eines Zellkultursystems aufgedeckt, um die synthetische Letalität zwischen MYC und der Hemmung der Aurora-Kinase B zu untersuchen. Überlebensfördernde Mitglieder der Bcl2 Familie bestätigt wurde, dass sie die Persistenz polyploider Zellen ermöglicht [53, 54]. Kooperation zwischen Aurora-Kinase-B-Inhibitoren und Inhibitoren von Pro-Survival-Bcl2 Proteine, wurde bereits untersucht [55-57]. Es wurden kooperative Effekte aufgrund einer verstärkten Apoptose durch Aktivierung des intrinsischen apoptotischen Signalwegs angenommen. Neue Erkenntnisse deuten jedoch auf einen anderen Mechanismus hin. Pro-Überlebens-Bcl2 Proteine ​​der Familie interagieren auch mit dem BH3 nur Protein Beclin1 (auch ATG6) am endoplasmatischen Retikulum zur Blockade der Autophagie [58,59]. Es wurde gezeigt, dass diese Wechselwirkung entscheidend für die Verhinderung der tödlichen Autophagie ist, die mit der Polyploidie einhergeht, und zur Arzneimittelresistenz bei einem in vitro Modell [54]. Diese Forschung zeigt einen zielgerichteten Wirkmechanismus auf, um polyploide Krebszellen direkt anzugreifen. BH3 mimetische Medikamente stören die Interaktion von überlebensförderndem Bcl2 Familienproteine ​​mit dem BH3 Domäne von Beclin1 und diese Taktik kann in Kombination mit Medikamenten wie Aurora-Kinase-Inhibitoren verwendet werden, um das Abtöten von Zellen zu verstärken. BH3 Mimetika haben sich neben anderen Polyploidie auslösenden Medikamenten auch als wirksam erwiesen [60].

Andere Mittel, um die Beclin zu stören1/Bcl2 Interaktion kann sich auch als wertvoll erweisen. Ceramide sind eine Familie von Lipiden, die aus Sphingosin und einer Fettsäurekette bestehen. Sie befinden sich in verschiedenen Zellmembrankompartimenten, einschließlich des Golgi und des Lysosoms, und können Zellsignalwege verändern. Es wurde festgestellt, dass kurzkettige Ceramide die Dissoziation des zwischen Beclin . gebildeten Komplexes induzieren1 und Bcl2 durch die Aktivierung der c-Jun N-terminale Kinase 1 (JNK1) [61]. JNK1 phosphoryliert das Bcl2 Protein und dies stört die Assoziation zwischen Beclin1 und Bcl2, wodurch Autophagie ermöglicht wird [61]. Für polyploide Zellen ist diese Autophagie tödlich. Knockdown des Gens, das für das Ceramid-Transportprotein kodiert (bekannt als COL4EIN3BP oder CERT), das Ceramid vom endoplasmatischen Retikulum (ER) zum Golgi-Apparat transportiert, induziert die Expression des Lysosom-assoziierten Membranproteins 2 (LAMP2) und erhöht den autophagischen Fluss, was zum polyploiden Zelltod führt [62]. Also, COL4EIN3BP könnte ein Ziel für therapeutische Interventionen sein, um polyploide Krebszellen anzugreifen, die letztendlich über eine Störung der Beclin . wirken1/ Bcl2 Interaktion.

Direkte Targeting-Ansätze müssen nicht nur auf polyploide Zellen abzielen. Zum Beispiel Hemmung von PLK1 Neben der Behandlung mit Spindeltoxinen führt dies zu einer verstärkten Apoptose sowohl von diploiden als auch polyploiden Krebszellen, jedoch weisen polyploide Zellen eine erhöhte Sensitivität auf [63]. Die verstärkte Wirkung von PLK1 die Hemmung auf Zellen mit >4n-DNA-Gehalt wurde der Unfähigkeit polyploider Zellen zugeschrieben, jede weitere Zunahme der Ploidie, die durch PKL . induziert wurde, zu tolerieren1 Hemmung. Polyploide Zellen wurden leichter in Richtung einer durch eine mitotischer Katastrophe induzierten Apoptose bewegt. Die Genomduplikation erhöht auch die Empfindlichkeit gegenüber pharmakologischen Inhibitoren des mitotischen Kinesin-Familienmitglieds 11 (auch bekannt als Eg5) [64] und des monopolaren Spindelproteins 1 (MPS .).1) [65], so dass eine anhaltende Hemmung mitotischer Regulatoren für polyploide Zellen toxischer ist als ihre diploiden Gegenstücke. Theoretisch werden diese Ansätze sowohl auf diploide als auch auf polyploide Krebszellen abzielen und könnten wirksame Therapien sein, um alle Krebszellen anzugreifen.

Zusammenfassung

Genomische Instabilität ist ein Kennzeichen von Krebs und polyploide Zellen haben sich als Zwischenzelle auf dem Weg zur Aneuploidie herausgebildet. Ansätze, die die Bildung von polyploiden Krebszellen verhindern und/oder darauf abzielen, werden aktiv untersucht. Wir beginnen jedoch gerade erst zu verstehen, wie man polyploide Krebszellen am besten angreift. Es scheint, dass Kombinationstherapien, die alle Krebszellen angreifen, aber aufgrund einzigartiger Schwachstellen bevorzugt polyploide Zellen beeinflussen können, vielversprechend sein könnten. Die Ermöglichung der tödlichen Autophagie hat sich als ein Mittel erwiesen, um die polyploide Zellpopulation von Krebs anzugreifen. Weitere Forschung ist auch erforderlich, um die Rolle zu untersuchen, die polyploide Krebszellen bei der Anti-Tumor-Immunität spielen könnten. Die ER-Stressantwort und Calreticulin spielen eine Rolle bei der Immunüberwachung für aberrante Polyploidie, aber wie dies umgangen wird, um die Persistenz polyploider Krebszellen bei Patienten zu ermöglichen, ist rätselhaft. Therapeutika, die den Immunangriff auf polyploide Zellen wiederherstellen, zusammen mit Therapeutika, die vorzugsweise die Anfälligkeiten von polyploiden Zellen angreifen, könnten sich als wirksame Kombination erweisen, die die Tumorprogression in ihren Bahnen stoppt.


Hybride Artbildung bei Säugetieren: Illusion oder Realität?

In der Übersicht werden die bekannten Beispiele mutmaßlicher Hybridspeziation bei Säugetieren analysiert. Es ist oft nicht einfach, hybride Artbildung und Derivate anderer Evolutionsszenarien klar zu unterscheiden. Dennoch wurde die Realität der hybriden Artbildung, sowohl allopolyploid (AHS) als auch homoploid (HHS), innerhalb dieser Klasse nachgewiesen. Bezeichnenderweise umfassen die betrachteten Beispiele nur einen Fall von AHS zusammen mit einer Vielzahl von HHS-Ereignissen. Eine Speziation über Polyploidie ist bei Säugetieren aufgrund der Beeinträchtigung des Gendosiskompensationsmechanismus unwahrscheinlich. Es wird angenommen, dass HHS auftreten kann, höchstwahrscheinlich in Gruppen von Säugetieren mit hämochorialer Plazentation. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen spezifischen natürlichen Situationen und theoretischen Vorhersagen. Die Erkenntnis der Realität einer solchen Artbildung bei Säugetieren macht deutlich, dass nicht nur Arten mit engem Verbreitungsgebiet, die periphere ökologische Nischen mit oft extremen Umweltbedingungen besetzen, unter Schutz gestellt werden müssen, sondern auch stabilisierte Hybridpopulationen mit einen einzigartigen Genpool und ein unverwechselbares phänotypisches Erscheinungsbild. Zweifellos können diese Populationen als interessante Evolutionsmodelle angesehen werden und verdienen daher definitiv Schutz.


Auslösen von p53 nach Zytokinese-Versagen

Zellen, die sich während der Zytokinese nicht teilen, verharren oft in der nächsten G1-Phase durch einen mysteriösen Mechanismus, der von p53 abhängt. Was diese Festnahme auslöst, ist unklar. Neue Studien, darunter ein Bericht in dieser Ausgabe (Uetake und Sluder, 2004), legen nahe, dass dieser Arrest nicht auftritt, weil Zellen polyploid sind, zweikernig sind, mehrere Zentrosomen haben oder eine fehlgeschlagene Zytokinese aufweisen, was dieses Phänomen noch rätselhafter macht.

Ein Kennzeichen der meisten Krebszellen ist, dass sie hoch aneuploid sind, während die meisten somatischen Zellen eine stabile Ploidie aufweisen. Es wurde sogar postuliert, dass Polyploidie genetische Instabilität erzeugt (Lengauer et al., 1998). Es ist unklar, ob normale somatische Zellen ihre Ploidie einfach durch eine getreue mitotische Trennung ihrer Chromosomen beibehalten oder ob sie Mechanismen haben, um Aneuploidie zu erkennen und entweder dieses Problem zu beheben oder aneuploide Zellen von weiteren Teilungszyklen zu blockieren. Eine wachsende Zahl von Arbeiten deutet darauf hin, dass Zellen, die keine Zytokinese durchlaufen, einen „tetraploiden Checkpoint“ aktivieren, der sie im folgenden G1 p53-abhängig stoppt. Neuere Veröffentlichungen legen jedoch nahe, dass Polyploidie per se das p53-Netzwerk nicht auslösen kann, und die in-vivo-Relevanz dieses Arrests ist noch unklar.

Es ist gut bekannt, dass p53 die Zellzyklusprogression in Zellen blockiert, bei denen die Zytokinese versagt, da viele Forscher unabhängig polyploide Zellen erzeugt haben, die im folgenden G1 anhalten (Abb. 1). Die ursprüngliche Beobachtung dieses Phänomens ging der Entdeckung von p53 voraus. Hirano und Kurimura (1974) fanden heraus, dass SV40-infizierte Zellen bei Behandlung mit Cytochalasin, einem Wirkstoff, der Aktin vergiftet und somit die Kontraktion der zytokinetischen Furche verhindert, in G1 nicht anhielten (Abb. 1 B). Es ist nun bekannt, dass eine SV40-Infektion p53 inaktiviert. Reid und Kollegen (Cross et al., 1995) inkubierten Mausembryofibroblasten (MEFs) in Nocodazol oder Colcemid, zwei verschiedenen Mikrotubuli-depolymerisierenden Medikamenten, für 22 h und fanden heraus, dass Wildtyp-MEFs mit 4N-Ploidie, aber P53 –/ − MEFs hatten ihre Chromosomen repliziert und wurden zu 8N (Cross et al., 1995). Weitere Studien zeigten, dass die 4N-Zellen, obwohl sie sich in Nocodazol befanden, in der Mitose nicht anhielten, sondern dem Spindel-Checkpoint entgingen und in der anschließenden G1-Phase in einem Zustand anhielten, der viele Kennzeichen eines durch DNA-Schäden induzierten p53-Checkpoint-Arrests aufwies (Abb 1 C) (Lanni und Jacks, 1998, Minn et al., 1996). Es ist erwähnenswert, dass diese Experimente zuerst in Mauszellen beobachtet wurden, die einen funktionellen Spindel-Checkpoint haben, aber den mitotischen Arrest in Nocodazol nicht annähernd so lange aufrechterhalten können wie menschliche Zellen. Die Gruppe von Margolis erzeugte zweikernige Zellen mit Dihydrocytochalasin B (Abb. 1 B) (Andreassen et al., 2001) und wiederum p53-positive Zellen arretiert in der anschließenden G1-Phase, während p53-Minus-Zellen ihre DNA replizieren, um 8N zu werden. Bei der Untersuchung, wie die Überexpression des Onkogens Aurora A mehrere Zentrosomen erzeugt, fand die Gruppe von Erich Nigg, dass eine übermäßige Aurora A-Expression die Zytokinese blockiert (Abb. 1 B) (Meraldi et al., 2002). Sie zeigten weiter, dass diese Zellen auch im folgenden G1 p53-abhängig arretiert sind. Obwohl es noch formell etabliert werden muss, ist es wahrscheinlich, dass ein gemeinsamer Mechanismus p53 nach jeder dieser Behandlungen aktiviert.

Da Krebszellen oft zusätzliche Chromosomen haben, wurde postuliert, dass es ein anfängliches Ereignis gibt, das dazu führt, dass Krebszellen polyploid werden und dann eine verringerte Genauigkeit der Chromosomensegregation zu einer nachfolgenden Aneuploidie führt, die den Verlust der Heterozygotie von Tumorsuppressoren bewirkt. Somit ist die Vorstellung, dass p53 die Progression zur S-Phase in den polyploiden Zellen blockiert, zufriedenstellend, da sie den fast universellen Verlust des p53-Signalwegs während der Krebsprogression weiter erklärt. Tiefere Überlegungen legen jedoch nahe, dass „normale“ Körperzellen häufig polyploid sind und die ursprünglichen Modelle möglicherweise naiv sind. Polyploidie, sowohl Autopolyploidie als auch Allopolyploidie, ist bei höheren Pflanzen (Angiospermen) verbreitet, bei Tieren jedoch relativ selten und nicht auf eine bestimmte Gattung beschränkt. Muller (1925) war der erste, der vermutete, dass Polyploidie bei Tieren aufgrund der Evolution der Geschlechtschromosomen und einer chromosomalen Grundlage für die Geschlechtsbestimmung selten ist. Wichtig ist, dass es polyploide Tiere gibt. Eine Vielzahl von Fröschen und Kröten sind tetraploid, der bekannteste unter ihnen ist Xenopus laevis. Die Artemia (Artemia franciscana) ist tetraploid, während die Kiefernblattwespe (Diprion Gleichnis) hat diploide Männchen, aber tetraploide Weibchen. Auch beim Menschen wurde über eine erhöhte Ploidie berichtet. Triploide und tetraploide Föten sterben oft und werden im ersten Trimester abgetrieben, aber es gibt viele Fälle von Föten, die bis zum dritten Trimester überleben, und eine kleine Anzahl von Fällen von tetraploiden Lebendgeburten (Edwards et al., 1994 Nakamura et al., 2003 ). Es gibt bestimmte Zelltypen beim Menschen, die polyploid sind, zum Beispiel nehmen Megakaryozyten als Teil ihrer Differenzierung an Ploidie zu (Queisser et al., 1971). Obwohl es möglich ist, dass polyploide Organismen und Zellen adaptive Ereignisse durchlaufen, legen diese Beobachtungen nahe, dass Polyploidie per se auf zellulärer Ebene nicht tödlich ist.

Ein Bericht in dieser Ausgabe bietet neue Einblicke in die Ursache des p53-abhängigen Arrests. Uetake und Sluder fanden heraus, dass eine vorübergehende Behandlung mit sehr niedrigen Konzentrationen von Cytochalasin D die Zytokinese blockieren kann, um zweikernige Zellen zu erzeugen, aber auf diese Weise behandelte Zellen stoppten nicht bei G1 (Abb. 1 D) (Uetake und Sluder, 2004). Mithilfe der Videomikroskopie verfolgten sie zweikernige Zellen, die in diesen niedrigen Cytochalasin-D-Konzentrationen gebildet wurden, und zeigten, dass sie eine Mitose und eine weitere Zytokinese durchliefen. Das Fehlen des Arrests wurde nicht durch den Verlust des p53-Signalwegs verursacht, da die gleichen Zellen bei den höheren Konzentrationen von Cytochalasin D angehalten wurden. In ähnlicher Weise fusionierten Wong und Stearns menschliche diploide Vorhautfibroblasten (die auch als Zweikerne mit hohen Konzentrationen von Cytochalasin) und zeigte, dass die resultierenden zweikernigen Hybridome ohne längeren Stillstand in die S-Phase eintraten (Wong, C. und T. Stearns, persönliche Mitteilung). Diese einfachen Experimente argumentieren stark, dass ein p53-abhängiger Arrest nicht durch Binukleation, Polyploidie, multiple Zentrosomen oder Versagen der Zytokinese ausgelöst wird.

Was das p53-Netzwerk in tetraploiden Zellen auslöst, ist zum zentralen Rätsel auf diesem Gebiet geworden. Ein Hinweis ergibt sich aus der Beobachtung, dass es eine gewisse Zelltypspezifität geben kann. Die Gruppe von Margolis verwendete ursprünglich embryonale Fibroblasten der Ratte (Ref52-Zellen) (Andreassen et al., 2001) und Uetake und Sluder fanden heraus, dass diese Zellen selbst bei niedrigeren Konzentrationen von Cytochalasin D, die die S-Phasen-Progression in hTert-RPE1-Zellen nicht blockierten, arretiert wurden oder humane primäre Vorhautfibroblasten. Interessanterweise konnte der Arrest in Ref52-Zellen durch Plattieren der Zellen auf Fibronektin anstatt direkt auf Glas gelindert werden (Uetake und Sluder, 2004). Es ist unklar, warum Fibronektin den Arrest unterdrückt, aber es ist interessant, dass die Bindung von Integrinen an Fibronektin das Aktin- und Mikrotubulus-Zytoskelett regulieren kann. Vielleicht führt die Zerstörung des Zytoskeletts während einer fehlgeschlagenen Zytokinese zu einem „toten“ Zytoskelett-Komplex, der p53 aktiviert, und die Pfade stromabwärts von Integrinen können diese Probleme des Zytoskelett-Netzwerks lösen.

Um zu verstehen, ob dieser p53-abhängige Arrest tatsächlich die Krebsprogression verhindert, muss nicht nur das Signal bestimmt, sondern auch die Bedingungen beschrieben werden, durch die der Arrest normalerweise ausgelöst wird. Die meisten Studien haben Medikamente verwendet, um den Arrest auszulösen, mit einer Ausnahme von Brian Reids Gruppe, die speziell bei p53-/--Mäusen eine Zunahme der Ploidie feststellte. 25 d nach der Geburt weist die Bauchspeicheldrüse von 53 –/– Mäusen ∼ 23% 4N-Zellen im Vergleich zu 7% im Wildtyp auf. Darüber hinaus betrug in transgenen Mäusen, die p53 und andere Proteine ​​blockierten, indem sie SV40 T-Antigen unter dem Elastase-Promotor exprimierten, die Zahl der polyploiden Zellen im Pankreas >45% (Cross et al., 1995). Dieser Bericht, dass p53 Polyploidie in vivo verhindert, legt nahe, dass dieser mysteriöse Weg immer noch eine wichtige Rolle bei der Verhinderung des Fortschreitens von Krebs spielen könnte.


PHYLOGENETISCHE MUSTER

Abbildung 1 zeigt in vereinfachter Form die wichtigsten Unterteilungen in der Fischtaxonomie, wobei die Reihenfolgen, in denen Polyploide auftreten, hervorgehoben sind. Arten, die als polyploid gelten, sind in Tabelle 1 gezeigt, adaptiert von Otto & Whitton (2000). Der erste zu beachtende Punkt ist, dass Fische paraphyletisch sind, es sei denn, Tetrapoden sind eingeschlossen. Diese Komplikation wird hier ignoriert und die Diskussion schließt Tetrapoden aus. Polyploidie bei Amphibien und Säugetieren wird von Mable und Gallardo . überprüft et al. (2004 – beide dieser Ausgabe). Eine zweite Komplikation besteht darin, dass in vielen Fällen die entsprechenden Informationen einfach nicht verfügbar sind. Im Allgemeinen sind die Chromosomenuntersuchungen bei Fischen weniger vollständig als bei anderen Tieren: Lagier et al. (1977) schätzten, dass nur 400 Arten (1,6%) von Chromosomenzytologen untersucht wurden, und obwohl seitdem viel Arbeit geleistet wurde, ist über die Zytogenetik der überwiegenden Mehrheit der Arten wenig bekannt. Innerhalb der Chondrichthyes kamen Stingo & Rocco (2001) zu dem Schluss, dass die Karyotypen von nur 63 von 1100 bekannten Arten (5,73%) in den letzten 40 Jahren in der Literatur beschrieben wurden. Trotz des Mangels an Daten ist jedoch klar, dass Polyploidie unabhängig in einer Vielzahl von Ordnungen aufgetreten ist. Dazu gehören so phylogenetisch vielfältige Taxa wie die Lepidosireniformes (Lungenfisch), die Acipenseriformes (Radfische und Störe), die Cypriniformes (Saugnäpfe, Schmerlen, Karpfen und Elritzen) und die Perciformes (Barsch). Während die Familien Catostomidae und Salmonidae vollständig polyploid oder polyploiden Ursprungs sind, werden in anderen Familien (z. B. den Cobitidae und Cyprinidae) unterschiedliche Ploidiegrade beobachtet (Machordom & Doadrio, 2001).

Ein Kladogramm der höheren Fischkategorien, das die Anzahl der Arten in jeder der 57 vorhandenen Fischordnungen zeigt (Daten von Nelson, 1994). *Ausgestorbene Taxa. †Aufträge, von denen bekannt ist, dass sie Polyploide enthalten. Beachten Sie die Position der Tetrapoden innerhalb der Sarcopterygii. Nach Nelson (1994).

Ein Kladogramm der höheren Fischkategorien, das die Anzahl der Arten in jeder der 57 vorhandenen Fischordnungen zeigt (Daten von Nelson, 1994). *Ausgestorbene Taxa. †Aufträge, von denen bekannt ist, dass sie Polyploide enthalten. Beachten Sie die Position der Tetrapoden innerhalb der Sarcopterygii. Nach Nelson (1994).

Polyploide Familien und Arten (modifiziert nach Otto & Whitton, 2000)

Befehl . Arten/Taxon . Verweise .
Acipenseriformes Scaphirynchus platorhynchus Schultz (1980)
Polyodon-Spatel Schultz (1980)
Atheriniformes Menidien sp. Echelle & Mosier (1981)
Cypriniformes Barbatula Barbatula Collares-Pereira, Madeira und Rab (1995)
Catostomiden Schultz (1980)
Botia spp. Yu et al. (1987), Rishi, Shashikala und Rishi (1998)
Kobitis spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Misgurnus anguillicaudatus Arai, Matsubara und Suzuki (1993)
Misgurnus fossilis Post (1965), Raicu und Taisescu (1972)
Barbodes spp. Yu et al. (1987)
Barbus spp. Chenuil, Galtier & Berrebi (1999)
Acrossocheilus sumatranus Suzuki und Taki (1981)
Aulopyge riesiglii Vasil'yev (1980), Mazik, Toktosunov & Rab (1989)
Carassius auratus Schultz (1980), Yu et al. (1987), Shimizu, Oshiro und Sakaizumi (1993)
Unterfamilie Cyprininae Schultz (1980), Yu et al. (1987), Larhammar & Risinger (1994)
Opsariichthys unicirostris bidens Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Phoxinus eos–neogäus Komplex Dawley, Schultz und Goddard (1987), Goddard und Schultz (1993)
Leuciscus alburnoides Komplex Alves et al. (1998)
Unterfamilie Schizothoracinae Mazik et al. (1989)
Schizothorax spp. Mazik et al. (1989)
Synocyclochelus spp. Yu et al. (1987)
Tor spp. Gui et al. (1985)
Zacco Schnabeltier Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Cyprinodontiformes Poecilia spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Poeciliopsis spp. Schultz (1980)
Lepidosireniformes Protopterus dolloi Vervoort (1980)
Lepisosteiformes Lepisosteus oculatus F. Produkt Schultz (1980)
Perciformes Stizostedion vitreum Ewing, Scalet und Evenson (1991)
Lachsarten Salmoniden Allendorf und Thorgaard (1984)
Siluriformes Corydoras, Aspidoras, Brochis spp. Oliveira et al. (1992, 1993)
Clarias batrachus Pandey & Lakra (1997)
Heteropneustes fossilis Pandian & Koteeswaran (1999)
Befehl . Arten/Taxon . Verweise .
Acipenseriformes Scaphirynchus platorhynchus Schultz (1980)
Polyodon-Spatel Schultz (1980)
Atheriniformes Menidien sp. Echelle & Mosier (1981)
Cypriniformes Barbatula Barbatula Collares-Pereira, Madeira und Rab (1995)
Catostomiden Schultz (1980)
Botia spp. Yu et al. (1987), Rishi, Shashikala und Rishi (1998)
Kobitis spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Misgurnus anguillicaudatus Arai, Matsubara und Suzuki (1993)
Misgurnus fossilis Post (1965), Raicu und Taisescu (1972)
Barbodes spp. Yu et al. (1987)
Barbus spp. Chenuil, Galtier & Berrebi (1999)
Acrossocheilus sumatranus Suzuki und Taki (1981)
Aulopyge riesiglii Vasil'yev (1980), Mazik, Toktosunov & Rab (1989)
Carassius auratus Schultz (1980), Yu et al. (1987), Shimizu, Oshiro und Sakaizumi (1993)
Unterfamilie Cyprininae Schultz (1980), Yu et al. (1987), Larhammar & Risinger (1994)
Opsariichthys unicirostris bidens Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Phoxinus eos–neogäus Komplex Dawley, Schultz und Goddard (1987), Goddard und Schultz (1993)
Leuciscus alburnoides Komplex Alves et al. (1998)
Unterfamilie Schizothoracinae Mazik et al. (1989)
Schizothorax spp. Mazik et al. (1989)
Synozyklochelus spp. Yu et al. (1987)
Tor spp. Gui et al. (1985)
Zacco Schnabeltier Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Cyprinodontiformes Poecilia spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Poeciliopsis spp. Schultz (1980)
Lepidosireniformes Protopterus dolloi Vervoort (1980)
Lepisosteiformes Lepisosteus oculatus F. Produkt Schultz (1980)
Perciformes Stizostedion vitreum Ewing, Scalet und Evenson (1991)
Lachsarten Salmoniden Allendorf und Thorgaard (1984)
Siluriformes Corydoras, Aspidoras, Brochis spp. Oliveira et al. (1992, 1993)
Clarias batrachus Pandey & Lakra (1997)
Heteropneustes fossilis Pandian & Koteeswaran (1999)

Polyploide Familien und Arten (modifiziert nach Otto & Whitton, 2000)

Befehl . Arten/Taxon . Verweise .
Acipenseriformes Scaphirynchus platorhynchus Schultz (1980)
Polyodon-Spatel Schultz (1980)
Atheriniformes Menidien sp. Echelle & Mosier (1981)
Cypriniformes Barbatula Barbatula Collares-Pereira, Madeira und Rab (1995)
Catostomiden Schultz (1980)
Botia spp. Yu et al. (1987), Rishi, Shashikala und Rishi (1998)
Kobitis spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Misgurnus anguillicaudatus Arai, Matsubara und Suzuki (1993)
Misgurnus fossilis Post (1965), Raicu und Taisescu (1972)
Barbodes spp. Yu et al. (1987)
Barbus spp. Chenuil, Galtier & Berrebi (1999)
Acrossocheilus sumatranus Suzuki und Taki (1981)
Aulopyge riesiglii Vasil'yev (1980), Mazik, Toktosunov & Rab (1989)
Carassius auratus Schultz (1980), Yu et al. (1987), Shimizu, Oshiro und Sakaizumi (1993)
Unterfamilie Cyprininae Schultz (1980), Yu et al. (1987), Larhammar & Risinger (1994)
Opsariichthys unicirostris bidens Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Phoxinus eos–neogäus Komplex Dawley, Schultz und Goddard (1987), Goddard und Schultz (1993)
Leuciscus alburnoides Komplex Alves et al. (1998)
Unterfamilie Schizothoracinae Mazik et al. (1989)
Schizothorax spp. Mazik et al. (1989)
Synozyklochelus spp. Yu et al. (1987)
Tor spp. Gui et al. (1985)
Zacco Schnabeltier Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Cyprinodontiformes Poecilia spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Poeciliopsis spp. Schultz (1980)
Lepidosireniformes Protopterus dolloi Vervoort (1980)
Lepisosteiformes Lepisosteus oculatus F. Produkt Schultz (1980)
Perciformes Stizostedion vitreum Ewing, Scalet und Evenson (1991)
Lachsarten Salmoniden Allendorf und Thorgaard (1984)
Siluriformes Corydoras, Aspidoras, Brochis spp. Oliveira et al. (1992, 1993)
Clarias batrachus Pandey & Lakra (1997)
Heteropneustes fossilis Pandian & Koteeswaran (1999)
Befehl . Arten/Taxon . Verweise .
Acipenseriformes Scaphirynchus platorhynchus Schultz (1980)
Polyodon-Spatel Schultz (1980)
Atheriniformes Menidien sp. Echelle & Mosier (1981)
Cypriniformes Barbatula Barbatula Collares-Pereira, Madeira und Rab (1995)
Catostomiden Schultz (1980)
Botia spp. Yu et al. (1987), Rishi, Shashikala und Rishi (1998)
Kobitis spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Misgurnus anguillicaudatus Arai, Matsubara und Suzuki (1993)
Misgurnus fossilis Post (1965), Raicu und Taisescu (1972)
Barbodes spp. Yu et al. (1987)
Barbus spp. Chenuil, Galtier & Berrebi (1999)
Acrossocheilus sumatranus Suzuki und Taki (1981)
Aulopyge riesiglii Vasil'yev (1980), Mazik, Toktosunov & Rab (1989)
Carassius auratus Schultz (1980), Yu et al. (1987), Shimizu, Oshiro und Sakaizumi (1993)
Unterfamilie Cyprininae Schultz (1980), Yu et al. (1987), Larhammar & Risinger (1994)
Opsariichthys unicirostris bidens Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Phoxinus eos–neogäus Komplex Dawley, Schultz und Goddard (1987), Goddard und Schultz (1993)
Leuciscus alburnoides Komplex Alves et al. (1998)
Unterfamilie Schizothoracinae Mazik et al. (1989)
Schizothorax spp. Mazik et al. (1989)
Synozyklochelus spp. Yu et al. (1987)
Tor spp. Gui et al. (1985)
Zacco Schnabeltier Yu et al. (1987), Maziki et al. (1989)
Cyprinodontiformes Poecilia spp. Schultz (1980), Vrijenhoek et al. (1989)
Poeciliopsis spp. Schultz (1980)
Lepidosireniformes Protopterus dolloi Vervoort (1980)
Lepisosteiformes Lepisosteus oculatus F. Produkt Schultz (1980)
Perciformes Stizostedion vitreum Ewing, Scalet und Evenson (1991)
Lachsarten Salmoniden Allendorf und Thorgaard (1984)
Siluriformes Corydoras, Aspidoras, Brochis spp. Oliveira et al. (1992, 1993)
Clarias batrachus Pandey & Lakra (1997)
Heteropneustes fossilis Pandian & Koteeswaran (1999)

Angesichts der Bedeutung der Polyploidie (insbesondere der Allopolyploidie) bei der Pflanzenartbildung (Leitch & Bennett, 1997) ist es auch bemerkenswert, dass Ordnungen von Fischen, von denen bekannt ist, dass sie polyploide Formen einschließen, im Großen und Ganzen auch zu den artenreichsten gehören (z , die Perciformes mit 9293 Arten und die Cypriniformes mit 2662 Arten). Tatsächlich fällt die Mehrheit (63%) von 24 618 existierenden Fischarten in 57 Ordnungen in die neun Ordnungen, von denen bekannt ist, dass sie Polyploide umfassen. Es ist jedoch Vorsicht geboten, um Rückschlüsse aus diesen Daten zu ziehen.Erstens, weil es nicht stimmt, dass alle Arten innerhalb dieser Taxa polyploid sind, und zweitens, weil dieses Muster einfach die Tatsache widerspiegeln kann, dass Polyploidie eher in artenreichen Gruppen identifiziert wird. Bei den artenreichen Barben (siehe unten) scheint jedoch Polyploidie, einschließlich Allopolyploidie, eine Rolle bei der Artbildung gespielt zu haben (Machordom & Doadrio, 2001). Der mögliche Zusammenhang zwischen Polyploidie und Artbildung verdient weitere Aufmerksamkeit. Insbesondere die Characiformes (1343-Arten), die eng mit den Cypriniformes und Siluriformes verwandt sind, von denen beide bekannt sind, dass sie polyploide Formen einschließen, könnten einer Untersuchung wert sein.

Ein weiteres auffälliges phylogenetisches Muster betrifft die Verteilung polyploider Ordnungen in Bezug auf die Hybridisierung. Lagier et al. (1977) stellten fest, dass Hybriden in 56 Fischfamilien bekannt sind und am häufigsten innerhalb der Salmonidae (Salmoniformes), Esocidae (Esociformes), Cyprinidae (Cypriniformes), Catostomidae (Cypriniformes), Centrarchidae (Perciformes) und Percidae (Perciformes) vorkommen. Die Übereinstimmung zwischen dieser Liste und den Ordnungen, die in Abbildung 1 als Polyploide identifiziert wurden, legt nahe, dass Allopolyploidie möglicherweise der vorherrschende Modus der Polyploidisierung bei Fischen war.

Innerhalb von Taxa, bei denen Polyploidie bekannt ist, kann sie sich mehr als einmal unabhängig voneinander entwickelt haben. Innerhalb der Cyprinidae (der größten Wirbeltierfamilie, mit möglicher Ausnahme der Gobiidae Nelson, 1994) ist die Gattung Barbus zeichnet sich mit mehr als 800 Arten als sehr artenreich aus. Die Taxonomie dieser Gruppe und insbesondere der afrikanischen Barben ist kompliziert, und eine kürzlich durchgeführte Studie mit Daten aus dem Cytochrom B Gen zeigte, dass die Gruppe polyphyletisch ist (Tsigenopoulos et al., 2002). Drei Ploidiestufen sind innerhalb bekannt Barbus: Diploide, Tetraploide und Hexaploide ( Tsigenopoulos et al., 2002). Machordom & Doadrio (2001) schlugen vor, dass innerhalb der Gruppe mindestens drei Polyploidisierungsereignisse aufgetreten waren, eines bei den südafrikanischen Tetraploiden, ein weiteres bei einem gemeinsamen Vorfahren der paläarktischen Tetraploiden und der Hexaploiden und ein drittes bei den Hexaploiden ( Abb. 2). So scheint sich die Tetraploidie zweimal getrennt aus einem diploiden Zustand der Vorfahren entwickelt zu haben, während die Hexaploide monophyletisch zu sein scheinen (Tsigenopoulos et al., 2002). Interessanterweise deutet das Vorhandensein „fremder“ Gattungen als Schwestergruppen einiger monophyletischer Gruppen innerhalb der Phylogenie darauf hin, dass die Hexaploide möglicherweise durch Allopolyploidie entstanden sind (Machordom & Doadrio, 2001). Eine ähnliche Situation ist bei den Siluriformes (Wels) bekannt, bei denen der gemeinsame Vorfahre der Gattungen Corydoras, Aspidoras und Brochis wird als polyploid angenommen, mit mindestens zwei sekundären Polyploidisierungen ( Oliveira et al., 1992, 1993). Interessant, Corydoras ist viel artenreicher als die anderen beiden Gattungen, eine Tatsache, die einer weiteren Untersuchung wert sein könnte (M. Reichard, pers. Mitt.). Somit hat sich die Polyploidie nicht nur mehrmals in unterschiedlichen Ordnungen (Abb. 1) entwickelt, sondern hat sich auch innerhalb von mindestens zwei Gruppen mehrmals unabhängig voneinander entwickelt, und es scheint wahrscheinlich, dass noch weitere Fälle entdeckt werden müssen.

Eine vereinfachte Phylogenie von Widerhaken, die die Übergänge zur Tetraploidie und Hexaploidie von einem diploiden Zustand der Vorfahren mit den „fremden“ Gattungen zeigt Aulopyge und Varicorhinus. Angepasst von Machordom & Doadrio (2001).

Eine vereinfachte Phylogenie von Widerhaken, die die Übergänge zur Tetraploidie und Hexaploidie von einem diploiden Zustand der Vorfahren mit den „fremden“ Gattungen zeigt Aulopyge und Varicorhinus. Angepasst von Machordom & Doadrio (2001).

Auch die Fortpflanzungsstrategien polyploider Fische wurden untersucht. Auch innerhalb der Cyprinidae, der iberischen Elritze, Leuciscus alburnoides, umfasst einen Komplex diploider und polyploider Formen mit unterschiedlichen Fortpflanzungsarten, einschließlich asexueller Fortpflanzung (Alves, Coelho & Collares-Pereira, 2001). Es kommt eine Vielzahl von natürlichen Formen unterschiedlicher Ploidien vor, wobei Allozymanalysen zeigen, dass diese auf den Genomen P, C und A basieren (P = pyrenaicus, C = carolitertii A = unbekannter Vorfahre), einschließlich Diploiden (einschließlich CA, AA und PA), Triploiden (CAA, CCA, PAA, PPA) und Tetraploiden (PPAA) ( Carmona et al., 1997 Alves et al., 2001). Ein bemerkenswertes Merkmal dieses interessanten Komplexes ist, dass die P- und A-Genome zyklisch verloren gehen, gewonnen und durch neue Genome ersetzt werden. Ungewöhnlich für Wirbeltierkomplexe gibt es eine bidirektionale Bewegung von Genen zwischen diploiden und triploiden Hybriden (Alves, Coelho &. Dieser Weg zur Tetraploidie kann zu einer neuen, sich sexuell fortpflanzenden polyploiden Art führen ( Alves et al., 2001).

Eine sehr artenreiche Gruppe, in der keine Polyploidie beschrieben wurde, sind die Cichliden. Die Buntbarsche zeichnen sich durch eine schnelle adaptive Strahlung aus, mit etwa 500 endemischen Arten im Viktoriasee, 700–1000 im Malawisee und 250 im Tanganjikasee (Turner, 1997). Besonders auffällig an den Arten des Viktoriasees ist, dass sie sich innerhalb der letzten 12 400 Jahre von einem gemeinsamen Vorfahren abgespalten haben, als der See bekanntermaßen trocken war ( Johnson et al., 1996). Als Erklärungen für diese explosiven Artenbildungsraten wurden eine Reihe von Faktoren vorgeschlagen, darunter Verhalten, sexuelle Selektion, morphologische Plastizität und trophische Morphologie (Greenwood, 1991 Albertson et al., 1999 Barlow, 2000). Eine offensichtliche Frage ist, ob die Allopolyploidie ein Faktor bei der adaptiven Strahlung von Cichliden war, wie es bei den Barben der Fall war. Über die Karyotypen dieser Fische scheint jedoch relativ wenig bekannt zu sein, und ein Großteil der bestehenden genetischen Arbeiten konzentrierte sich auf mitochondriale Sequenzen (Farias, Ortí & Meyer, 2000), obwohl es Studien zu nuklearen Sequenzen gibt (z. B. Ono et al., 1993 Farias et al., 2000). Polyploidie kann bei Cichliden durch Kälte- und Hitzeschocks induziert werden (Chourrot & Istkovich, 1983, in Don &. Avtalion, 1986, 1988, Greenwood, 1991) und Greenwood (1991) schlugen vor, dass die Hybridisierung ein Faktor bei der Cichliden-Artenbildung sein könnte. Dagegen muss jedoch abgewogen werden, dass bei Buntbarschen natürlich vorkommende Polyploidie nicht bekannt ist und eine eingehende Untersuchung von neun Arten aus dem Malawisee zu dem Schluss kam, dass die Hybridisierung kein wesentlicher Faktor für die Strahlung der Artenherde war ( Albertson et al., 1999). Obwohl bekannt ist, dass Buntbarsche in freier Wildbahn und im Aquarium Hybriden bilden, sogar zwischen entfernt verwandten Arten ( Elder, Garrod & Whitehead, 1971 Loiselle, 1971), ist dies noch wenig untersucht ( Barlow, 2000) und scheint hauptsächlich als eher ein komplizierender Faktor als ein zur Artbildung beitragender Prozess (siehe zum Beispiel Nagl et al., 2001). In einer Studie zu den Genen der nuklearen Haupthistokompatibilität (MHC) der Klasse II konnte Ono et al. (1993) fanden bei den meisten Individuen mehr als zwei unterschiedliche Sequenzen und kamen zu dem Schluss, dass einige dieser Sequenzen von unterschiedlichen Loci (und nicht von einer Genomverdopplung) abgeleitet wurden, da angenommen wird, dass Cichliden diploid sind (Kornfield, 1984). Wie bei den meisten Multigenfamilien müssen jedoch MHC-Daten mit Vorsicht behandelt werden, da das Vorhandensein paraloger Loci mit vergleichsweise starker Sequenzhomologie die Allelidentifizierung erschweren kann ( Thorgaard et al., 2002). Die Vermutung, dass Allopolyploidie an der Artbildung von Cichliden beteiligt gewesen sein könnte, bleibt spekulativ, aber die Zytogenetik der Cichlidae, wie die der Characiformes, rechtfertigt weitere Untersuchungen.


Inhalt

Inzucht (d. h. die Verpaarung eng verwandter Individuen) führt dazu, dass sich rezessivere Merkmale manifestieren, da die Genome von Paargenossen ähnlicher sind. Rezessive Merkmale können nur bei Nachkommen auftreten, wenn sie im Genom beider Elternteile vorhanden sind. Je ähnlicher die Eltern sind, desto häufiger treten bei ihren Nachkommen rezessive Merkmale auf. Folglich können die Nachkommen umso mehr homozygote, schädliche Gene haben, je enger verwandt das Brutpaar ist, was zu sehr untauglichen Individuen führt. Für Allele, die im heterozygoten und/oder homozygot-dominanten Zustand einen Vorteil verleihen, kann die Fitness des homozygot-rezessiven Zustands sogar Null sein (was sterile oder nicht lebensfähige Nachkommen bedeutet).

Ein Beispiel für eine Inzuchtdepression ist rechts dargestellt. In diesem Fall, ein ist das rezessive Allel, das negative Auswirkungen hat. Damit die ein Phänotyp um aktiv zu werden, muss das Gen homozygot sein aa weil im Geneotyp Aein, das A übernimmt die Dominanz über das ein und der ein hat keine Wirkung. Aufgrund ihrer reduzierten phänotypischen Expression und der daraus resultierenden reduzierten Selektion sind rezessive Gene in den meisten Fällen schädliche Phänotypen, da sie dazu führen, dass der Organismus weniger an seine natürliche Umgebung angepasst ist.

Ein weiterer Mechanismus, der für die Inzuchtdepression verantwortlich ist, ist der Fitnessvorteil der Heterozygotie, der als Überdominanz bekannt ist. Dies kann zu einer verminderten Fitness einer Population mit vielen homozygoten Genotypen führen, auch wenn diese nicht schädlich oder rezessiv sind. Hier führen selbst die dominanten Allele bei homozygotem Vorliegen zu einer verminderten Fitness (siehe auch Hybridvitalität).

Derzeit ist nicht bekannt, welcher der beiden Mechanismen in der Natur häufiger vorkommt. Für praktische Anwendungen, z.B. in der Nutztierzucht wird ersteres als bedeutsamer angesehen – es kann zu völlig unrentablen Nachkommen führen (was einen völligen Ausfall eines Stammbaums bedeutet), während letzteres nur zu einer relativ reduzierten Fitness führen kann.

Natürliche Selektion kann aus mehreren Gründen nicht alle schädlichen rezessiven Gene aus einer Population effektiv entfernen. Erstens entstehen schädliche Gene ständig durch Mutation innerhalb einer Population. Zweitens haben die meisten Nachkommen in einer Population, in der Inzucht häufig vorkommt, einige schädliche Eigenschaften, sodass nur wenige überlebensfähiger sind als die anderen. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass verschiedene schädliche Merkmale die Fortpflanzung gleichermaßen beeinträchtigen – ein besonders nachteiliges rezessives Merkmal, das bei einem homozygoten rezessiven Individuum exprimiert wird, wird sich wahrscheinlich selbst eliminieren, wodurch die Expression seines Phänotyps natürlich eingeschränkt wird. Drittens werden rezessive schädliche Allele durch Heterozygotie "maskiert", und so wird bei einem dominant-rezessiven Merkmal nicht gegen Heterozygote selektiert.

Treten rezessive schädliche Allele im heterozygoten Zustand auf, wobei ihre potenziell schädliche Expression durch das entsprechende Wildtyp-Allel maskiert wird, wird dieses Maskierungsphänomen als Komplementation bezeichnet (siehe Komplementation (Genetik)).

Im Allgemeinen hat die sexuelle Fortpflanzung bei Eukaryoten zwei grundlegende Aspekte: genetische Rekombination während der Meiose und Auskreuzung. Es wurde vorgeschlagen, dass diese beiden Aspekte jeweils zwei natürliche selektive Vorteile haben. Ein vorgeschlagener adaptiver Vorteil der Meiose besteht darin, dass sie die rekombinatorische Reparatur von DNA-Schäden erleichtert, die ansonsten schwer zu reparieren sind (siehe DNA-Reparatur als adaptiver Vorteil der Meiose). Ein vorgeschlagener adaptiver Vorteil der Auskreuzung ist die Komplementation, d. h. die Maskierung schädlicher rezessiver Allele [3] [4] (siehe Hybridvitalität oder Heterosis). Der selektive Vorteil der Komplementation kann weitgehend für die generelle Vermeidung von Inzucht verantwortlich sein (siehe Verwandtschaftserkennung).

Die Einführung von Allelen aus einer anderen Population kann eine Inzuchtdepression umkehren. Verschiedene Populationen derselben Art haben unterschiedliche schädliche Merkmale, und daher führt ihre Kreuzung nicht zu einer Homozygotie an den meisten Loci in den Nachkommen. Dies ist als Outbreeding Enhancement bekannt und wird von Naturschutzmanagern und Zoozüchtern in Gefangenschaft praktiziert, um Homozygotie zu verhindern.

Die Vermischung zweier verschiedener Populationen kann jedoch zu ungeeigneten polygenen Merkmalen bei der Auszuchtdepression führen (d. h. Nachkommen hervorbringen, denen die genetische Anpassung an bestimmte Umweltbedingungen fehlt). Diese haben dann eine geringere Fitness als reinrassige Individuen einer bestimmten Unterart, die sich an ihre lokale Umgebung angepasst hat.

Die biologischen Auswirkungen der Inzuchtdepression beim Menschen werden weitgehend durch sozioökonomische und kulturelle Einflüsse auf das Fortpflanzungsverhalten verdeckt. [5] Studien an menschlichen Populationen haben gezeigt, dass das Alter bei der Eheschließung, die Dauer der Ehe, Analphabetismus, der Gebrauch von Verhütungsmitteln und die Reproduktionskompensation die wichtigsten Determinanten der scheinbaren Fruchtbarkeit sind, selbst bei Populationen mit einem hohen Anteil an blutsverwandten Verbindungen. [6] Bei bestimmten isolierten Populationen wurden jedoch mehrere kleine Auswirkungen auf eine erhöhte Mortalität, [7] längere Zwischengeburtsintervalle [7] und eine verringerte Gesamtproduktivität [5] festgestellt.

Charles Darwin war einer der ersten Wissenschaftler, der die Auswirkungen von Inzuchtdepression durch zahlreiche Experimente an Pflanzen nachwies. Darwins Frau Emma war seine Cousine ersten Grades, und er war besorgt über die Auswirkungen der Inzucht auf seine zehn Kinder, von denen drei im Alter von zehn oder jünger starben, drei weitere hatten kinderlose Langzeitehen. [8] [9] [10]

Während festgestellt wurde, dass Inzuchtdepression bei fast allen ausreichend untersuchten Arten auftritt, scheinen einige Taxa, insbesondere einige Angiospermen, geringere Fitnesskosten zu erleiden als andere in Inzuchtpopulationen. [11] Drei Mechanismen scheinen dafür verantwortlich zu sein: Purging, Ploidieunterschiede und Selektion auf Heterozygotie. [11] Es muss darauf hingewiesen werden, dass einige Studien, die das Fehlen einer Inzuchtdepression bei bestimmten Arten nicht nachweisen können, auf kleine Stichprobengrößen zurückzuführen sind oder wenn die vermeintlich ausgezüchtete Kontrollgruppe bereits an einer Inzuchtdepression leidet, die häufig bei Populationen auftritt, die kürzlich eine Flaschenhals, wie zum Beispiel beim Nacktmull. [11] [12]

Auswahl löschen Bearbeiten

Die Säuberungsselektion tritt dort auf, wo die Phänotypen von schädlichen rezessiven Allelen durch Inzucht exponiert werden und daher selektiert werden können. Dies kann dazu führen, dass solche schädlichen Mutationen aus der Population entfernt werden, und es hat sich gezeigt, dass es schnell auftritt, wenn die rezessiven Allele eine tödliche Wirkung haben. [11] Die Effizienz der Säuberung hängt von der Beziehung zwischen dem Ausmaß der schädlichen Wirkung, die bei den Homozygoten demaskiert wird, und der Bedeutung der genetischen Drift ab, so dass die Säuberung für nicht-tödliche als für rezessive letale Allele schwächer ist. [13] Bei sehr kleinen Populationen hat Drift einen starken Einfluss, der bei schwacher Selektion zur Fixierung subletaler Allele führen kann. [11] Die Fixierung eines einzelnen Allels für ein bestimmtes Gen kann auch die Fitness verringern, wenn zuvor ein heterozygoter Vorteil vorhanden war (dh wenn heterozygote Individuen eine höhere Fitness haben als Homozygote eines der beiden Allel), obwohl dieses Phänomen normalerweise einen kleinen Beitrag zu zu leisten scheint Inzucht Depression. Obwohl das Säubern natürlich vorkommt, kann es für das Überleben der Population wichtig sein, aber der absichtliche Versuch, schädliche Mutationen aus einer Population zu entfernen, wird im Allgemeinen nicht als Technik zur Verbesserung der Fitness von in Gefangenschaft gezüchteten Tieren empfohlen. [14] [15] [16] Bei Pflanzen kann die genetische Belastung durch einen Test analog zu einem Inzuchtdepressionstest, dem sogenannten Autogamie-Depressionstest, bestimmt werden.

Polyploidie Bearbeiten

Viele Angiospermen (Blütenpflanzen) können sich über mehrere Generationen selbst befruchten und leiden kaum unter Inzuchtdepression. Dies ist sehr nützlich für Arten, die sich weit verbreiten und daher in einer neuen Umgebung ohne anwesende Artgenossen wachsen können. [11] Die Polyploidie (mit mehr als zwei gepaarten Sätzen jedes Chromosoms), die in Angiospermen, Farnen und einigen wenigen Tiertaxa vorherrscht, ist hierfür verantwortlich. Da ein Chromosom mehrere Kopien im Gegensatz zu zwei hat, ist es weniger wahrscheinlich, dass bei Inzucht-Nachkommen eine Homozygotie auftritt. Dies bedeutet, dass rezessive schädliche Allele nicht so häufig exprimiert werden, wie bei vielen Kopien eines Chromosoms wahrscheinlicher ist, dass mindestens eines ein funktionelles Allel enthält. [11]

Selektion auf Heterozygotie Bearbeiten

Es wurde auch festgestellt, dass Inzuchtdepression bei einigen Wildpopulationen langsamer auftritt als vorhergesagt, wie beispielsweise bei der stark inzuchtierten Population skandinavischer Wölfe. Dies scheint auf einen Selektionsdruck für heterozygote Individuen zurückzuführen zu sein, die im Allgemeinen in einem besseren Zustand sind und daher eher eines der wenigen Tiere werden, die sich fortpflanzen und Nachkommen produzieren. [17]


Spezies

Die biologische Definition von Arten, die für sich sexuell reproduzierende Organismen funktioniert, ist eine Gruppe von tatsächlich oder potenziell sich kreuzenden Individuen. Nach dieser Definition unterscheidet sich eine Art von einer anderen durch die Möglichkeit von Paarungen zwischen Individuen jeder Art, um fruchtbare Nachkommen zu produzieren. Es gibt Ausnahmen von dieser Regel. Viele Arten sind ähnlich genug, dass hybride Nachkommen möglich sind und oft in der Natur vorkommen können, aber für die meisten Arten gilt diese Regel im Allgemeinen. Tatsächlich deutet das Vorhandensein von Hybriden zwischen ähnlichen Arten darauf hin, dass sie möglicherweise von einer einzigen sich kreuzenden Art abstammen und dass der Artbildungsprozess möglicherweise noch nicht abgeschlossen ist.

Angesichts der außergewöhnlichen Vielfalt des Lebens auf dem Planeten muss es Mechanismen geben, um Artbildung: die Bildung von zwei Arten aus einer ursprünglichen Art. Darwin stellte sich diesen Prozess als Verzweigungsereignis vor und skizzierte den Prozess in der einzigen Abbildung, die in gefunden wurde Auf der Entstehung der Arten ([Verknüpfung]ein). Damit eine Artbildung stattfinden kann, müssen aus einer ursprünglichen Population zwei neue Populationen gebildet werden, die sich so entwickeln, dass es für Individuen der beiden neuen Populationen unmöglich wird, sich zu kreuzen. Biologen haben Mechanismen vorgeschlagen, durch die dies geschehen könnte, die in zwei große Kategorien fallen. Allopatrische Spezies, was Artbildung in „anderen Heimatländern“ bedeutet, beinhaltet eine geografische Trennung der Populationen von einer Elternart und die anschließende Evolution. Sympatrische Artbildung, was Artbildung im „selben Heimatland“ bedeutet, beinhaltet die Artbildung, die innerhalb einer Elternart auftritt, während sie an einem Ort verbleiben.

Biologen betrachten Artbildungsereignisse als die Aufspaltung einer Vorfahrenart in zwei Nachkommenarten. Es gibt keinen Grund, warum nicht mehr als zwei Arten gleichzeitig gebildet werden sollten, außer dass dies weniger wahrscheinlich ist und solche multiplen Ereignisse auch als einzelne Aufspaltungen konzeptualisiert werden können, die zeitlich nahe liegen.

Artbildung durch geografische Trennung

Eine geographisch kontinuierliche Population hat einen relativ homogenen Genpool. Der Genfluss, die Bewegung von Allelen über das Verbreitungsgebiet der Art, ist relativ frei, da sich Individuen bewegen und sich dann mit Individuen an ihrem neuen Standort paaren können. Somit ist die Häufigkeit eines Allels an einem Ende einer Verteilung ähnlich der Häufigkeit des Allels am anderen Ende. Wenn Populationen geografisch diskontinuierlich werden, wird dieser freie Fluss von Allelen verhindert. Wenn diese Trennung eine gewisse Zeit andauert, können sich die beiden Populationen entlang unterschiedlicher Trajektorien entwickeln.Somit werden ihre Allelfrequenzen an zahlreichen genetischen Loci allmählich immer unterschiedlicher, da neue Allele unabhängig durch Mutation in jeder Population entstehen. Typischerweise unterscheiden sich die Umweltbedingungen wie Klima, Ressourcen, Raubtiere und Konkurrenten für die beiden Populationen, was dazu führt, dass die natürliche Selektion unterschiedliche Anpassungen in jeder Gruppe begünstigt. Unterschiedliche Vorgeschichten der genetischen Drift, die dadurch verstärkt werden, dass die Populationen kleiner sind als die Elternpopulation, werden ebenfalls zu Divergenzen führen.

Bei ausreichender Zeit wird die genetische und phänotypische Divergenz zwischen Populationen wahrscheinlich Merkmale beeinflussen, die die Fortpflanzung so stark beeinflussen, dass Individuen der beiden Populationen zusammengebracht würden, eine Paarung weniger wahrscheinlich wäre oder die Nachkommen im Falle einer Paarung nicht lebensfähig oder unfruchtbar wären. Viele Arten von divergierenden Merkmalen können die reproduktive Isolation (Unfähigkeit zur Kreuzung) der beiden Populationen beeinträchtigen. Diese Mechanismen der reproduktiven Isolation können in präzygote Mechanismen (die vor der Befruchtung wirken) und die postzygoten Mechanismen (die nach der Befruchtung wirken) unterteilt werden. Präzygote Mechanismen umfassen Merkmale, die es den Individuen ermöglichen, einander zu finden, wie der Zeitpunkt der Paarung, die Empfindlichkeit gegenüber Pheromonen oder die Wahl der Paarungsorte. Wenn Individuen in der Lage sind, einander zu begegnen, können Charakterunterschiede verhindern, dass Balzrituale zu einer Paarung führen, entweder weil sich die weiblichen Vorlieben geändert haben oder sich das männliche Verhalten geändert hat. Physiologische Veränderungen können eine erfolgreiche Befruchtung beeinträchtigen, wenn eine Paarung stattfinden kann. Postzygotische Mechanismen umfassen genetische Inkompatibilitäten, die eine ordnungsgemäße Entwicklung der Nachkommen verhindern, oder wenn die Nachkommen leben, können sie nicht in der Lage sein, selbst lebensfähige Gameten zu produzieren, wie im Beispiel des Maultiers, der unfruchtbaren Nachkommen eines weiblichen Pferdes und eines männlichen Esels.

Wenn die beiden isolierten Populationen wieder zusammengebracht werden und die hybriden Nachkommen, die sich aus der Paarung zwischen Individuen der beiden Populationen gebildet haben, eine geringere Überlebensrate oder eine verringerte Fruchtbarkeit haben, dann wird die Selektion Individuen begünstigen, die in der Lage sind, zwischen potenziellen Paaren ihrer eigenen Population und der anderen zu unterscheiden Population. Diese Auswahl wird die reproduktive Isolation verbessern.

Die Isolierung von Populationen, die zur allopatrischen Artbildung führt, kann auf verschiedene Weise erfolgen: durch einen Fluss, der einen neuen Zweig bildet, durch Erosion, die ein neues Tal bildet, oder durch eine Gruppe von Organismen, die an einen neuen Ort reisen, ohne zurückkehren zu können, z das Meer zu einer Insel. Die Art der geografischen Trennung, die zur Isolierung von Populationen erforderlich ist, hängt vollständig von der Biologie des Organismus und seinem Ausbreitungspotential ab. Wenn sich zwei fliegende Insektenpopulationen in getrennten nahegelegenen Tälern niederließen, besteht die Möglichkeit, dass Individuen jeder Population hin und her fliegen und den Genfluss fortsetzen. Wenn jedoch zwei Nagetierpopulationen durch die Bildung eines neuen Sees geteilt würden, wäre ein fortgesetzter Genfluss unwahrscheinlich, daher wäre eine Artbildung wahrscheinlicher.

Biologen gruppieren allopatrische Prozesse in zwei Kategorien. Ziehen einige Vertreter einer Art in ein neues geografisches Gebiet, nennt man dies Zerstreuung. Wenn eine natürliche Situation entsteht, um Organismen physisch zu teilen, nennt man dies Stellvertreter.

Wissenschaftler haben zahlreiche Fälle von allopatrischer Artbildung dokumentiert. An der Westküste der Vereinigten Staaten gibt es beispielsweise zwei separate Unterarten von gefleckten Eulen. Die nördliche gefleckte Eule weist genetische und phänotypische Unterschiede zu ihrem nahen Verwandten, der mexikanischen gefleckten Eule, die im Süden lebt ([link]), auf. Die Ursache für ihre anfängliche Trennung ist nicht klar, aber sie könnte durch die Gletscher der Eiszeit verursacht worden sein, die eine anfängliche Population in zwei Teile teilten. 1

Darüber hinaus haben Wissenschaftler herausgefunden, dass es umso wahrscheinlicher ist, dass eine Artbildung stattfindet, je weiter die Entfernung zwischen zwei Gruppen, die einst dieselbe Art waren, ist. Dies erscheint logisch, denn mit zunehmender Entfernung hätten die verschiedenen Umweltfaktoren wahrscheinlich weniger Gemeinsamkeiten als Standorte in unmittelbarer Nähe. Betrachten Sie die beiden Eulen im Norden, das Klima ist kühler als im Süden Einsen. Diese Abweichungen können zu entwickelten Unterschieden bei den Eulen führen, und im Laufe der Zeit wird wahrscheinlich eine Artbildung auftreten, es sei denn, der Genfluss zwischen den Populationen wird wiederhergestellt.

In einigen Fällen verteilt sich eine Population einer Art über ein Gebiet, und jede findet eine eigene Nische oder einen isolierten Lebensraum. Im Laufe der Zeit führen die unterschiedlichen Anforderungen ihres neuen Lebensstils zu mehreren Artenbildungsereignissen, die von einer einzigen Art ausgehen, die als bezeichnet wird adaptive Strahlung. Von einem Ursprungspunkt aus entwickeln sich viele Anpassungen, die dazu führen, dass die Art in mehrere neue ausstrahlt. Inselarchipele wie die Hawaii-Inseln bieten einen idealen Kontext für adaptive Strahlungsereignisse, da jede Insel von Wasser umgeben ist, was für viele Organismen zu einer geografischen Isolation führt ([link]). Ein Beispiel für adaptive Strahlung ist der Hawaiian Honeycreeper. Aus einer einzigen Art, der so genannten Gründerart, haben sich zahlreiche Arten entwickelt, darunter die acht in [link].

Beachten Sie die Unterschiede in den Schnäbeln der Arten in [link]. Die Veränderung der genetischen Variation von Schnäbeln als Reaktion auf die natürliche Selektion auf der Grundlage spezifischer Nahrungsquellen in jedem neuen Lebensraum führte zur Entwicklung eines anderen Schnabels, der für die spezifische Nahrungsquelle geeignet ist. Die frucht- und samenfressenden Vögel haben dickere, stärkere Schnäbel, die zum Brechen harter Nüsse geeignet sind. Die nektarfressenden Vögel haben lange Schnäbel, um in Blüten zu tauchen, um an ihren Nektar zu gelangen. Die insektenfressenden Vögel haben Schnäbel wie Schwerter, die zum Stechen und Aufspießen von Insekten geeignet sind. Darwinfinken sind ein weiteres gut untersuchtes Beispiel für adaptive Strahlung in einem Archipel.

Klicken Sie sich durch diese interaktive Site, um zu sehen, wie sich Inselvögel entwickelt haben. Klicken Sie hier, um Bilder jeder Art in evolutionären Schritten von vor fünf Millionen Jahren bis heute zu sehen.

Speziation ohne geografische Trennung

Kann Divergenz auftreten, wenn keine physischen Barrieren vorhanden sind, um Individuen zu trennen, die weiterhin im selben Lebensraum leben und sich fortpflanzen? Eine Reihe von Mechanismen für sympatrische Artbildung wurden vorgeschlagen und untersucht.

Eine Form der sympatrischen Artbildung kann mit einem Chromosomenfehler während der Meiose oder der Bildung eines Hybridindividuums mit zu vielen Chromosomen beginnen. Polyploidie ist ein Zustand, bei dem eine Zelle oder ein Organismus einen oder mehrere zusätzliche Chromosomensätze hat. Wissenschaftler haben zwei Haupttypen von Polyploidie identifiziert, die zur reproduktiven Isolation eines Individuums im polyploiden Zustand führen können. In einigen Fällen hat ein polyploides Individuum zwei oder mehr vollständige Chromosomensätze seiner eigenen Spezies in einem Zustand, der als Autopolyploidie bezeichnet wird ([Link]). Das Präfix „auto“ bedeutet selbst, also bedeutet der Begriff mehrere Chromosomen der eigenen Spezies. Polyploidie resultiert aus einem Fehler in der Meiose, bei dem alle Chromosomen in eine Zelle wandern, anstatt sich zu trennen.

Wenn beispielsweise eine Pflanzenart mit 2n = 6 produziert autopolyploide Gameten, die auch diploid sind (2n = 6, wenn sie sein sollten n = 3), die Gameten haben jetzt doppelt so viele Chromosomen, wie sie haben sollten. Diese neuen Gameten sind mit den normalen Gameten dieser Pflanzenart nicht kompatibel. Sie konnten sich jedoch entweder selbst bestäuben oder sich mit anderen autopolyploiden Pflanzen mit Gameten derselben diploiden Zahl vermehren. Auf diese Weise kann eine sympatrische Artbildung schnell erfolgen, indem Nachkommen mit 4 . gebildet werdenn als Tetraploid bezeichnet. Diese Individuen könnten sich sofort nur mit solchen dieser neuen Art und nicht mit denen der angestammten Art fortpflanzen. Die andere Form der Polyploidie tritt auf, wenn sich Individuen zweier verschiedener Arten fortpflanzen, um einen lebensfähigen Nachkommen zu bilden, der als Allopolyploid bezeichnet wird. Das Präfix „allo“ bedeutet „andere“ (Rückruf von allopatric), daher tritt ein Allopolyploid auf, wenn sich Gameten zweier verschiedener Arten verbinden. [link] veranschaulicht einen möglichen Weg, wie sich eine Allopolyploidie bilden kann. Beachten Sie, wie es zwei Generationen oder zwei Fortpflanzungsakte braucht, bis der lebensfähige fruchtbare Hybrid entsteht.

Die Kulturformen von Weizen-, Baumwoll- und Tabakpflanzen sind alle allopolyploid. Obwohl Polyploidie bei Tieren gelegentlich auftritt, sind die meisten Chromosomenanomalien bei Tieren tödlich, sie treten am häufigsten bei Pflanzen auf. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass mehr als die Hälfte aller untersuchten Pflanzenarten auf eine Art zurückgehen, die sich durch Polyploidie entwickelt hat.

Sympatric Artbildung kann auch auf andere Weise als Polyploidie stattfinden. Stellen Sie sich zum Beispiel eine Fischart vor, die in einem See lebt. Mit dem Bevölkerungswachstum nahm auch die Konkurrenz um Nahrung zu. Nehmen wir an, dass eine Gruppe dieser Fische unter dem Druck, Nahrung zu finden, die genetische Flexibilität hat, eine andere Ressource zu entdecken und zu ernähren, die von den anderen Fischen ungenutzt ist. Was wäre, wenn diese neue Nahrungsquelle in einer anderen Tiefe des Sees gefunden würde? Im Laufe der Zeit würden diejenigen, die sich von der zweiten Nahrungsquelle ernährten, mehr miteinander interagieren als mit den anderen Fischen, sodass sie sich auch zusammen vermehren würden. Nachkommen dieser Fische würden sich wahrscheinlich wie ihre Eltern verhalten und im selben Gebiet leben und ernähren, wodurch sie von der ursprünglichen Population getrennt bleiben. Wenn diese Gruppe von Fischen weiterhin von der ersten Population getrennt bliebe, könnte schließlich eine sympatrische Artbildung auftreten, da sich mehr genetische Unterschiede zwischen ihnen anhäuften.

Dieses Szenario spielt sich in der Natur ab, ebenso wie andere, die zu reproduktiver Isolation führen. Ein solcher Ort ist der Viktoriasee in Afrika, der für seine sympatrische Art von Buntbarsch berühmt ist. Forscher haben bei diesen Fischen Hunderte von sympatrischen Artbildungsereignissen gefunden, die nicht nur in großer Zahl, sondern auch über einen kurzen Zeitraum aufgetreten sind. [link] zeigt diese Art der Artbildung bei einer Buntbarschpopulation in Nicaragua. In diesem Gebiet leben zwei Arten von Buntbarschen am selben geografischen Ort, jedoch haben sie unterschiedliche Morphologien, die es ihnen ermöglichen, verschiedene Nahrungsquellen zu fressen.

Schließlich trat ein gut dokumentiertes Beispiel für eine anhaltende sympatrische Artbildung bei der Apfelmadenfliege auf. Rhagoletis pomonella, die irgendwann nach der Einführung des Apfels in Nordamerika als isolierte Population entstanden. Die einheimische Fliegenpopulation ernährt sich von Weißdornarten und ist wirtsspezifisch: Sie befällt nur Weißdornbäume. Wichtig ist, dass es die Bäume auch als Ort nutzt, um sich zur Paarung zu treffen. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass Fliegen entweder durch Mutation oder einen Verhaltensfehler auf Wirte sprangen und sich in Apfelbäumen trafen und paarten und anschließend ihre Eier in Apfelfrüchte legten. Die Nachkommen reiften und behielten ihre Vorliebe für die Apfelbäume bei, die die ursprüngliche Population effektiv in zwei neue Populationen aufteilten, die nach Wirtsarten und nicht nach Geografie getrennt waren. Der Wirtssprung fand im 19. Jahrhundert statt, heute gibt es jedoch messbare Unterschiede zwischen den beiden Fliegenpopulationen. Es scheint wahrscheinlich, dass die Wirtsspezifität von Parasiten im Allgemeinen eine häufige Ursache für sympatrische Artbildung ist.

Abschnittszusammenfassung

Die Artbildung erfolgt entlang zweier Hauptwege: der geografischen Trennung (allopatrische Artbildung) und durch Mechanismen, die innerhalb eines gemeinsamen Habitats auftreten (sympatrische Artbildung). Beide Wege erzwingen die reproduktive Isolation zwischen den Populationen. Sympatrische Speziation kann durch Meiosefehler auftreten, die Gameten mit zusätzlichen Chromosomen bilden, die als Polyploidie bezeichnet werden. Autopolyploidie tritt innerhalb einer einzigen Art auf, während Allopolyploidie aufgrund einer Paarung zwischen eng verwandten Arten auftritt. Sobald die Populationen isoliert sind, kann eine evolutionäre Divergenz stattfinden, die zur Entwicklung von reproduktiven isolierenden Merkmalen führt, die eine Vermischung verhindern, falls die beiden Populationen wieder zusammenkommen. Es wird erwartet, dass die reduzierte Lebensfähigkeit von Hybrid-Nachkommen nach einer Isolationsphase für stärkere inhärente Isolationsmechanismen selektiert.