A legtöbb genomszintű evolúciós változás a populációs szintű gén- és kromoszómagyakoriságok változásának következménye. A populáció gén- és kromoszómagyakoriságait főképpen a mutációk, a rekombináció, a genetikai sodródás és a természetes szelekció kölcsönhatásai alakítják, de olyan - a köztudatban talán kevésbé szereplő erőknek - mint a meiotikus drivenak (amikor az egyik allélnak a gamétákba kerülési valószínűsége drámaian nagyobb, mint a másiké) és a génduplikációnak is komoly szerepük lehet.
Már régóta gondolják úgy, hogy a genomok evolúciójának jelentős tényezője a kromoszómák törésen - újraegyesülésen alapuló átrendeződése. A kariotípusok összehasonlítása fontos eredményeket hozott, pl. a csimpánztól való elválásunk óta történt egy ún. Robertson-féle transzlokáció, és néhány inverzió, de mindenképpen kisszámú az ilyen átrendeződés. Genomjaink 96-99% körüli megegyezése tovább erősítette rokonságunkat.
A megközelítés további finomítását jelenti, hogy mára lehetséges úgy következtetni a genomi átrendeződésekre, hogy megvizsgáljuk, melyik gének maradtak együtt, azonos elrendeződésben a kromoszómákon a különféle fajokban.
Az egérrel kb. 75-80 millió éve élt közös ősünk. Mégis óriási "blokkok" vannak genomjainkban, amelyek konzervált génsorrendet jelentenek. Az ilyen blokkokat feltüntető térképek a szinténia-térképek (synteny maps pl: http://www.informatics.jax.org/reports/homologymap/mouse_human.shtml vagy http://rex.nci.nih.gov/lgd/genmaps/felinehcst.htm). Elválásunk óta számos átrendeződés történt, de nem elég sok ahhoz, hogy a két genomot "összemixelje".
A kromoszómák számát befolyásoló evolúciós erők
A sejt kromoszómaszámának változásában két folyamat játszik főszerepet: a centrikus fúzió és a centrikus hasadás.
A centrikus fúziónál két akrocentrikus kromoszóma spontán transzlokációs folyamaton esik át centromeronja környékén. Az eredmény egy „nagy”, két hosszú karral rendelkező metacentrikus kromoszóma (a „kis” méretű, géneket rendszerint nem tartalmazó kromoszóma rendszerint elvész). Egy további pericentrikus inverzió a nagy metacentrikus kromoszómát akrocentrikussá alakíthatja. A kromoszómaszám csökkenése centrikus fúzióval jól dokumentált növényekben és állatokban egyaránt. (A csimpánz két kromoszómája tökéletesen megfeleltethető a mi 2. (kettes számú!) kromoszómánknak!).
Az ellenkező irányú centrikus hasadás (centric fission) növeli a kromoszómaszámot. Ez a folyamat ritkább, mint az előző (?), először az anolisz gyíkoknál találtak rá példát.
Kis populációkban a kromoszómaátrendeződések – köztük a centrikus fúzió és hasadás – gyakorisága emelkedhet, majd fixálódhat genetikai sodródással. A problémát bonyolítja, hogy a legtöbb kromoszómaátrendeződés heterozigóta állapotban - a megzavart kromoszómaszegregáció következtében keletkező kiegyensúlyozatlan gamétáknak köszönhetően - terméketlenséget okoz. Mivel a random módon párosodó populációkban az új kromoszómamutáció elsődlegesen heterozigótákban van jelen, kicsi az esélye, hogy egy ilyen fertilitáscsökkenéssel járó kromoszómaátrendeződés egy helyi populációban magas gyakoriságot érhet el, hacsak annak a populációnak nem korlátozott a mérete. A populációk közötti migráció csökkenti az átrendeződés megmaradásának esélyét, de növeli annak elterjedését a faj szintjén. A gyors kromoszómaevolúció szempontjából legideálisabb tehát a sok, részlegesen izolált szubpopulációra tagolt populációstruktúra, magas kihalási rátával és a szomszédos területekről való rekolonizációval. A rekolonizációs folyamat eredményeképpen megvan annak a valószínűsége, hogy a jövőben minden egyes lokális populáció egyetlen szubpopulációból származik, azaz ugyanazt a kromoszómamutációt hordozza - analóg módon - mint ahogy egy allél fixálódik sodródással egy populációban. Alternatív lehetőség, hogy az új faj egy kis, izolált populációból ered; ha az izolátumban egy új kromoszóma átrendeződés fixálódott, akkor ez nyilvánvalóan jellemző lesz az új fajra.
Nagyon valószínű, hogy a kromoszómaátrendeződések véletlenszerű fixálódása fontos szerepet játszott a kromoszómaszám centrikus fúziókkal és hasadásokkal történő változásában. A fúziók a legtöbb taxonban kétségtelenül gyakoribbak a hasadásoknál, ami magyarázható azzal, hogy fúziók a jelek szerint könnyebben jönnek létre. Könnyen belátható, hogy a kromoszómaszám változás fixálódásában a beltenyészet, különös tekintettel az önmegtermékenyítésre, kedvez a kromoszómaevolúció ezen módjának.
A meiotikus drive (meiotic drive)
A kromoszómaátrendeződések terjedését elősegítő mechanizmus a meiotikus drive, amely ismeretes az állat-, és növényvilágból egyaránt. Meiotikus drivenak nevezünk minden olyan jelenséget, amely a heterozigóta egyik alléljének aránytalan (azaz nem 50%-os) reprezentációjához vezet. Sok minden szól amellett, hogy a folyamat kis létszámú populációkban elősegíti akár káros kromoszómaátrendeződések fixálódását is, de jelentősége a fajok kialakulásában kérdéses. Biztosan jelentős szerepe van a számfeletti kromoszómák fennmaradásában. A számfeletti kromoszómák általában heterokromatikusak, káros hatásuk van hordozójuk fitnesszére, és nem homológok a fajra jellemző kromoszómakészletbe tartozó kromoszómákkal. Számos olyan „drive”- mechanizmus fejlődött ki, amelyek elősegítik megmaradásukat, noha az egyed szintjén előnytelenek („kontraszelektívek”).
A kromoszómák felépítése és az egyes specifikus kromoszómarégiókban érvényesülő evolúciós trendek
Az eukarióta kromoszómák jellegzetes sajátsága, hogy a rekombináció kisebb valószínűséggel következik be a centromeronok és telomérek szomszédságában, ami legnyilvánvalóbban a genetikai térkép centomeronhoz közeli összhúzódásával („kontrakciójával”) mutatható meg. Utóbbi jelenség tapasztalható a legtöbb vizsgált élőlényben, a Drosophila melanogastertől a paradicsomig. A térképkontrakció a telomer körüli régiókban, ha nem is a centromer körüli régiókra jellemző látványos formában, de szintén kimutatásra került számos organizmusban.
A feltevések szerint a crossing-over (homológ kromoszómaszakaszok reciprok kicserélődése) gyakoriságok csökkenése az ezekre a területekre eső, funkcióval bíró ismétlődő szekvenciák egyenlőtlen kicserélődését akadályozó természetes szelekciónak köszönhető.
A másik érdekes tendencia, hogy nyilvánvaló funkcióval nem rendelkező, sokszorosan ismétlődő DNS szekvenciák (szatellit szekvenciák) és transzpozábilis elemek nagy valószínűséggel akkumulálódnak azokban a régiókban, ahol korlátozott a crossing-over.
Miért korlátozott a crossing-over a centromerek és telomerek környezetében?
A kis kromoszómákkal rendelkező eukarióták centromerjei általában egyszerűek. Az élesztő centromeronjának nincs olyan, jól azonosítható része, mint a kinetochor, így minden egyes kromoszóma egyetlen mikrotubulushoz kapcsolódik. Ezzel szemben pl. az emlősök és más, komplex eukarióták kromoszómáinak nagyban differenciált kinetochorjai vannak, amelyek közvetítésével sok mikrotubulus kapcsolódik a specializált kromatin hosszú szakaszaihoz. Bár előfordul, hogy egészen kisméretű kromoszómáknak differenciált kinetochorja van, általánosan elmondható, hogy az ilyen képlettel nem rendelkező kromoszómák általában kicsik (Pl. a Physarium és a Neurospora kromoszómái, a madarak mikrokrokromoszómái). Valószínű, hogy a nagyobb kromoszómák mozgatása szegregációkor (elválásukkor) jelentősen több erőt kíván, így több mikrotubulusra van szükség kromoszómánként. A nagyobb kromoszómák kialakulása vezethetett a több mikrotubulus kapcsolódásához, és a centromeronok többszörös mikrotubuluskötő helyéhez.
A többszörösen ismétlődő kötőhelyek között lejátszódó egyenlőtlen kicserélődések következtében a kötőhelyek száma is változatos lenne a kromoszómák között. Az olyan kromoszómák, amelyeken a kötőhelyek száma eltér az optimálistól, nagyobb valószínűséggel szenvednek nondiszjunkciót (szét nem válást) a rájuk ható erők kiegyensúlyozatlansága folytán. Az így létrejövő aneuploid állapot a fitnessz csökkenéséhez vezethet. A természetes szelekció így a centromer régió területén a crossing-over gyakoriságának csökkenéséhez vezet. Ha tehát a legtöbb állati centromeren jelen lévő kinetochor optimális számú mikrotubulus kötőhely köré szerveződik, nem meglepő, hogy a crossing-over korlátozott ezekben a régiókban. Elméleti megfontolások szerint csakis akkor nincsen előnye a korlátozott számú crossing-overnek, ha a mikrotubulus kötőhelyek száma egy. Megjegyzendő, hogy a ténylegesen egyetlen kötőhellyel rendelkező élesztő kromoszómák centromerje környékén nagyságrenddel kisebb mértékű a crossing-over gyakoriságának redukciója.
Mára molekuláris szinten bizonyított, hogy a legtöbb fajnál specializált, tandem módon ismétlődő szekvenciák vannak a telomer régiókban. Ha a hatékony telomer replikáció optimális számú ismétlődéshez kötődne, a centromerekre alkalmazott logika itt is érvényes lenne: a csökkent mértékű rekombinációt a telomer régiókban is előnyben részesítené a természetes szelekció. Bizonyítottnak tekinthető azonban, hogy a telomerben lévő ismétlődő egységek száma replikációs mechanizmusok szabályozása alatt áll. Az egyenlőtlen kicserélődés hatása az ismétlődésekre így nem érvényesül.
A Drosophilában - szemben más állatokkal - a telomer régió megfelelő replikációjához olyan transzpozábilis genetikai elemekre van szükség, amelyek elsősorban a kromoszómavégekbe inszertálódnak. Így valószínűleg szelektív nyomás van a crossing-over gyakoriságának csökkenésére a telomerikus régiókban, hogy az elemek ne „vesszenek el” ektopikus kicserélődéssel.
A repetitív DNS szekvenciák akkumulációját a korlátozott rekombinációval jellemzett régiókban régebben a repetitív szekvenciák „természetének” tudták be, újabban azonban evolúciós alapon magyarázzák. Viszonylag bonyolult modellek jól magyarázzák a jelenséget. Szemben a kérdéses régiókkal, a centromertől távolabb, ahol funkcionális gének helyezkednek el és a rekombinációs ráták általában magasabbak, sokszorosan ismétlődő, szatellita-szerű szekvenciák ritkának számítanak. A tandem elrendeződések, amelyek az utóbbi régiókban helyezkednek el, jóval kisebb méretűek, és – ennek szellemében - mikro- vagy miniszatellitáknak nevezzük őket.
Hasonló módon halmozódnak fel transzpozábilis elemek is a csökkent rátájú rekombinációval jellemezhető helyeken. A nemhomológ inszerciós helyeken elhelyezkedő transzpozonok között is történhet rekombináció (ektopikus kicserélődés), ami deléciók és duplikációk kialakulásához vezethet, a legtöbb esetben domináns káros hatásokkal. A jelenség a transzpozábilis elemek felhalmozódásával ellentétes irányba hat, azáltal, hogy a magas elemszámmal rendelkező egyedek fertilitása csökkent. Ektopikus kicserélődés bizonyítottan megjelenhet Drosophila melanogasterben, sőt, emberben is. Összhangban az elmondottakkal kimutatható, hogy a transzpozábilis elemek valóban óriási számban vannak jelen azokban a kromoszomális régiókban, ahol a rekombináció redukált.