This essay aims to explain two biological puzzles: why eukaryotic transcription units are composed of short segments of coding DNA interspersed with long stretches of non-coding (intron) DNA, and the near ubiquity of sexual reproduction. As is well known, alternative splicing of its coding sequences enables one transcription unit to produce multiple variants of each encoded protein. Additionally, padding transcription units with non-coding DNA (often many thousands of base pairs long) provides a readily evolvable way to set how soon in a cell cycle the various mRNAs will begin being expressed and the total amount of mRNA that each transcription unit can make during a cell cycle. This regulation complements control via the transcriptional promoter and facilitates the creation of complex eukaryotic cell types, tissues, and organisms. However, it also makes eukaryotes exceedingly vulnerable to double-strand DNA breaks, which end-joining break repair pathways can repair incorrectly. Transcription units cover such a large fraction of the genome that any mis-repair producing a reorganized chromosome has a high probability of destroying a gene. During meiosis, the synaptonemal complex aligns homologous chromosome pairs and the pachytene checkpoint detects, selectively arrests, and in many organisms actively destroys gamete-producing cells with chromosomes that cannot adequately synapse; this creates a filter favoring transmission to the next generation of chromosomes that retain the parental organization, while selectively culling those with interrupted transcription units. This same meiotic checkpoint, reacting to accidental chromosomal reorganizations inflicted by error-prone break repair, can, as a side effect, provide a mechanism for the formation of new species in sympatry. It has been a long-standing puzzle how something as seemingly maladaptive as hybrid sterility between such new species can arise. I suggest that this paradox is resolved by understanding the adaptive importance of the pachytene checkpoint, as outlined above.
概要: 本文旨在阐释两个生物学之谜:为什么真核基因是由短片段的编码 DNA穿插着长的非编码 (内含子) DNA 片段构成, 以及为何有性生殖如此广泛地存于真核生物之中。众所周知, 编码序列的可变剪接可以使一个基因产生多种不同蛋白质变体。此外, 用非编码 DNA (通常有数千个碱基对长) 填充转录单元提供了一种易于演化的方式, 它可以设置细胞周期中各种 mRNA 开启表达的时间以及每个基因在一个细胞周期中能够表达的 mRNA的总量。这种调节补充了通过转录启动子的调控, 并促进了复杂的真核细胞类型, 组织, 以及生物体的产生。然而, 它也使真核生物极易受到DNA双链断裂的影响, 因为通过末端连接的断裂修复有可能产生错误。转录单元覆盖基因组的长片段使得任何产生重组染色体的错误修复都很有可能毁坏基因。在减数分裂过程中, 同源染色体通过联会复合体而配对, 由粗线期监查点的检查而选择性地阻断, 而染色体不能有效配对的配子在许多生物体中也会被主动地销毁;这些途径有利于亲本染色体的组织结构能忠实地传递到下一代, 同时有选择地滤除那些转录单元被破坏的染色体。减数分裂监查点对由于易出错的断裂修复而造成的意外染色体重组作出反应, 而作为其副作用, 可以为在同域物种 (即在同一地理区域并因此经常相互相遇的物种) 中形成新物种提供一种机制。一个存在已久的不解之谜是像杂交不育这样看似不良适应的现象是如何在这些新物种中出现的。我建议通过了解如上所述的减数分裂过程中粗线期监查点在适应性方面的重要作用来解决这个悖论。.
Cet essai vise à expliquer deux énigmes biologiques : pourquoi les unités de transcription eucaryotes sont composées de courts segments d'ADN codant entrecoupés de longues portions d'ADN non codant (intron) et la quasi-omniprésence de la reproduction sexuée. Comme nous le savons, l'épissage alternatif des séquences codantes permet à une unité de transcription de produire de multiple variant de chacune des protéines codées. De plus, remplir les unités de transcription avec de l'ADN non codant (souvent plusieurs milliers de paires de bases) fournit un moyen facilement évolutif de définir à quel moment dans un cycle cellulaire les différents ARNm commenceront à être exprimés et quelle quantité totale d'ARNm sera produite par chaque unité de transcription au cours d'un cycle cellulaire. Cette régulation s'ajoute au contrôle par le promoteur transcriptionnel et facilite la création de types cellulaires eucaryotes complexes, de tissus et d'organismes. Cependant, cela rend également les eucaryotes extrêmement vulnérables aux cassures double brin de l'ADN, que les voies de réparation par jonction des extrémités non-homologues peuvent réparer de manière inexacte. Les unités de transcription couvrent une fraction si importante du génome que toute mauvaise réparation produisant un chromosome réorganisé a une forte probabilité de détruire un gène. Au cours de la méiose, le complexe synaptonémal aligne les paires de chromosomes homologues et le point de contrôle du pachytène détecte, arrête sélectivement et dans de nombreux organismes détruit activement les cellules productrices de gamètes possédant des chromosomes qui ne peuvent pas s'apparier correctement. Cela crée un filtre favorisant la transmission à la génération suivante de chromosomes conservant l'organisation parentale, tout en éliminant sélectivement ceux dont les unités de transcription ont été interrompues. Ce même point de contrôle méiotique, réagissant aux réorganisations chromosomiques accidentelles résultantes d'erreurs lors de la réparation des cassures double-brin, peut, comme effet secondaire, fournir un mécanisme d’émergence de nouvelles espèces sympatriques. La question de comprendre comment quelque chose d'aussi apparemment inadapté que la stérilité hybride entre ces nouvelles espèces peut survenir reste un casse-tête de longue date. Je suggère que ce paradoxe soit résolu en comprenant l'importance adaptative du point de contrôle du pachytène, comme indiqué ci-dessus.
Zusammenfassung: Dieser Aufsatz zielt darauf ab, zwei biologische Rätsel zu lösen: warum eukaryotische Transkriptionseinheiten aus kurzen Abschnitten kodierender DNA bestehen, die mit langen Abschnitten nichtkodierender (Intron) DNA durchsetzt sind, und die nahezu allgegenwärtige sexuelle Fortpflanzung. Bekanntlich, ermöglicht alternatives Spleißen seiner kodierenden Sequenzen, dass eine Transkriptionseinheit mehrere Varianten jedes kodierten Proteins produziert. Darüber hinaus bietet das Auffüllen von Transkriptionseinheiten mit nichtkodierender DNA (oft viele tausend Basenpaare lang) eine leicht zu entwickelnde Möglichkeit, um festzulegen, wie schnell in einem Zellzyklus die verschiedenen mRNAs exprimiert werden und wie viel mRNA jede Transkriptionseinheit aufnehmen kann während eines Zellzyklus machen. Diese Regulation ergänzt die Kontrolle über den Transkriptionspromotor und erleichtert die Bildung komplexer eukaryotischer Zelltypen, Gewebe und Organismen. Es macht Eukaryoten jedoch auch äußerst anfällig für DNA-Doppelstrangbrüchen, die durch die Non-homologous end-joining Reparaturwege falsch repariert werden können. Transkriptionseinheiten decken einen so großen Teil des Genoms ab, dass jede Fehlreparatur, die ein reorganisiertes Chromosom erzeugt, mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Gen zerstört. Während der Meiose richtet der synaptonemaler Komplex homologe Chromosomenpaare aus, und der Pachytän- Kontrollpunkt erkennt, stoppt selektiv und zerstört in vielen Organismen aktiv Gameten-produzierende Zellen mit Chromosomen, die nicht ausreichend Synapsen bilden können; Dadurch entsteht ein Filter, der die Übertragung auf die nächste Generation von Chromosomen begünstigt, die die elterliche Organisation beibehalten, während diejenigen mit unterbrochenen Transkriptionseinheiten selektiv ausgesondert werden. Dieser gleiche meiotische Kontrollpunkt, der auf zufällige chromosomale Reorganisationen reagiert, die durch fehleranfällige Bruchreparatur verursacht werden, kann als Nebeneffekt einen Mechanismus für die Bildung neuer Arten in Sympatrie bereitstellen. Es war lange Zeit ein Rätsel, wie etwas so scheinbar Unangepasstes wie der Sterilität von Hybriden zwischen solchen neuen Arten entstehen kann. Ich schlage vor, dass dieses Paradoxon gelöst wird, indem man die adaptive Bedeutung des Pachytän-Kontrollpunkt versteht, wie oben beschrieben.
Rsumen: Este ensayo tiene como objetivo explicar dos enigmas biológicos: por qué las unidades de transcripción eucarióticas están compuestas de segmentos cortos de ADN codificante intercalados con largos tramos de ADN no codificante (intrones) y la práctica ubicuidad de la reproducción sexual. Como es bien sabido, el corte y empalme alternativo de sus secuencias codificantes permite que una unidad de transcripción produzca múltiples variantes de cada proteína codificada. Además, el relleno de unidades de transcripción con ADN no codificante (a menudo de muchos miles de pares de bases de largo) proporciona un mecanismo evolutivo sencillo para establecer con cuánta rapidez los diversos ARNm comenzarán a expresarse y la cantidad total de ARNm que cada unidad de transcripción puede generar durante un ciclo celular. Esta regulación complementa al control a través del promotor transcripcional y facilita la creación de tipos celulares, tejidos y organismos eucariotas complejos. Sin embargo, también hace que los eucariotas sean extremadamente vulnerables a las roturas de ADN de doble cadena, que pueden ser reparadas incorrectamente por las vías de reparación de roturas de unión de extremos. Las unidades de transcripción cubren una fracción tan grande del genoma que cualquier reparación incorrecta que produzca un cromosoma reorganizado tiene una alta probabilidad de destruir un gen. Durante la meiosis, el complejo sinaptonémico alinea pares de cromosomas homólogos y el punto de control de paquitena detecta, detiene selectivamente y, en muchos organismos, destruye activamente las células productoras de gametos con cromosomas que no pueden hacer sinapsis de manera adecuada; esto crea un filtro que favorece la transmisión a la siguiente generación de cromosomas que retienen la organización parental, al tiempo que elimina selectivamente aquellos con unidades de transcripción interrumpidas. Este mismo punto de control meiótico, que reacciona a las reorganizaciones cromosómicas accidentales infligidas por la reparación de roturas propensa a errores, puede, como efecto secundario, proporcionar un mecanismo para la formación de nuevas especies en simpatría. Durante mucho tiempo, ha sido un enigma cómo puede surgir algo tan aparentemente inadaptado como la esterilidad híbrida entre estas nuevas especies. Propongo que esta paradoja se resuelva comprendiendo la importancia adaptativa del punto de control de paquitena, como se describió anteriormente.
Резюме: Это эссе призвано объяснить две биологические загадки: почему эукариотические единицы транскрипции состоят из коротких сегментов кодирующей ДНК, перемежающихся длинными участками некодирующей (интронной) ДНК, и почти вездесущее наличие полового размножения в жизненных циклах эукариот. Как хорошо известно, альтернативный сплайсинг кодирующих последовательностей позволяет одной единице транскрипции продуцировать несколько вариантов каждого кодируемого белка. Кроме того, наполнение единиц транскрипции некодирующей ДНК (часто длиной в несколько тысяч нуклеотидов) обеспечивает простой способ контроля времени начала экспресcии различных мРНК в клеточном цикле, а также общее количество мРНК, которое каждая единица транскрипции может произвести в течение клеточного цикла. Эта регуляционная способность дополняет контроль экспрессии через промотор транскрипции и облегчает создание сложных типов эукариотических клеток, тканей и организмов. В то же время, это также делает эукариот чрезвычайно уязвимыми к двухцепочечным разрывам ДНК, которые могут репарироваться с ошибками путём негомологичного соединения концов. Единицы транскрипции покрывают такую большую часть генома, что любая ошибочная репарация приводящая к реорганизации хромосомы с высокой вероятностью может привести к разрушению гена. Во время мейоза синаптонемный комплекс выравнивает гомологичные пары хромосом, а контрольная точка пахитены обнаруживает, избирательно арестовывает и, у многих организмов, активно разрушает клетки продуцирующие гаметы с хромосомами, которые не могут адекватно синапсировать; это создает фильтр, благоприятствующий передаче следующему поколению хромосом, которые сохраняют родительскую организацию, и выборочно отбраковывающий хромосомы с прерванными единицами транскрипции. Та же самая мейотическая контрольная точка реагирующая на случайные хромосомные реорганизации вызванные склонной к ошибкам репарацией разрывов, может, как побочный эффект, обеспечить механизм образования новых видов в симпатрии. Давно было загадкой, как может возникнуть что-то настолько неадаптивное, как бесплодие гибридов между такими новыми видами. Я полагаю, что этот парадокс разрешается путем понимания адаптивной важности контрольной точки пахитены, как указано выше.
Resumo: Este ensaio visa explicar dois enigmas biológicos: o porquê das unidades de transcrição eucarióticas serem compostas por segmentos curtos de DNA codificante intercalados por longos trechos de DNA não-codificante (íntron), e a quase universalidade da reprodução sexual. Como é bem conhecido, o splicing alternativo de sequências codificantes permite que uma unidade de transcrição produza múltiplas variantes de cada proteína codificada. Além disso, o preenchimento de unidades de transcrição com DNA não-codificante (geralmente muitos milhares de pares de bases) fornece uma maneira pronta para evoluir e determinar o quão cedo no ciclo celular os diversos mRNAs começarão a ser expressos e a quantidade total de mRNA que cada unidade de transcrição irá produzir durante um ciclo celular. Esta regulação complementa o controle através do promotor transcricional e facilita a geração de tipos complexos de células eucarióticas, tecidos e organismos. No entanto, também torna os eucariotos extremamente vulneráveis a quebras de DNA de fita dupla, dado que que os mecanismos de reparo da quebra da fita dupla podem reparar incorretamente. As unidades de transcrição cobrem uma fração tão grande do genoma que qualquer reparo incorreto que produza um cromossomo reorganizado tem uma alta probabilidade de quebrar um gene. Durante a meiose, o complexo sinaptonêmico alinha pares de cromossomos homólogos e o ponto de verificação do paquíteno detecta, interrompe seletivamente e, em muitos organismos, destrói ativamente células produtoras de gametas com cromossomos que não podem fazer sinapse adequadamente; isso cria um filtro que favorece a transmissão de cromossomos que retêm a organização parental para a próxima geração, enquanto seleciona seletivamente aqueles com unidades de transcrição interrompidas. Esse ponto de verificação meiótico, que responde a reorganizações cromossômicas acidentais infligidas por reparos de quebras propensos a erros, pode, como efeito colateral, também ser um mecanismo de formação de novas espécies em simpatria. O enigma de como algo aparentemente com tão baixo valor adaptativo quanto a esterilidade híbrida entre essas novas espécies pode surgir permanece há muito tempo. Eu proponho que esse paradoxo seja resolvido pela compreensão da importância adaptativa do ponto de verificação do paquíteno, conforme descrito acima.
Abstrakt: Dette essayet tar sikte på å forklare to biologiske gåter: hvorfor eukaryote transkripsjonsenheter er sammensatt av korte segmenter av kodende DNA ispedd lange strekninger av ikke-kodende (intron) DNA og hvofor seksuell reproduksjon er neste allestedsnærværende. Det er velkjent at alternativ spleising av dens kodende sekvenser muliggjør én transkripsjonsenhet til å produsere flere varianter av hvert kodet protein. I tillegg forstørrende transkripsjonsenheter med ikke-kodende DNA (ofte mange tusenvis av basepar) en lett utvikbar måte å utpeke hvor raskt i en cellesyklus de ulike mRNAene vil begynne å bli uttrykt og den totale mengden mRNA som hver transkripsjonsenhet kan lage i løpet av en cellesyklus. Denne reguleringen samarbeider kontroll via transkripsjonspromotoren og letter dannelsen av komplekse eukaryote celletyper, vev og organismer. Imidlertid gjør det også eukaryoter ekstremt sårbare for dobbelttråds-DNA-brudd, som endesammenføyningsreparasjonsveier kan reparere feil. Transkripsjonsenheter dekker en så stor del av genomet at enhver feilreparasjon som produserer et reorganisert kromosom har stor sannsynlighet for å ødelegge et gen. Under meiose justerer det synaptonemale komplekset homologe kromosompar og pachyten-sjekkpunktet oppdager, slutter selektivt og i mange organismer ødelegger aktivt gametproduserende celler med kromosomer som ikke kan synapse tilstrekkelig; dette skaper et filter som favoriserer overføring til neste generasjon av kromosomer som beholder foreldreorganisasjonen, samtidig som de selektivt avliver de med avbrutt transkripsjonsenheter. Dette samme meiotiske sjekkpunktet, som reagerer på tilfeldige kromosomale omorganiseringer påført av feilutsatt bruddreparasjon som en bieffekt kan gi en mekanisme for sympatrisk artsdannelse. Det har lenge vært et puslespill hvordan noe så tilsynelatende mistilpasset som hybridsterilitet mellom slike nye arter kan oppstå. Jeg foreslår at dette paradokset løses ved å forstå at den pachyten-sjekkpunktet har avgjørende implikasjoner for organismers tilpassingsevne, som skissert ovenfor.
© The Author(s) 2022. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Integrative and Comparative Biology.