Большинство транскриптомных исследований, включая те, которые сравнивали полиплоиды и диплоиды, нормализуют экспрессию отдельных генов к общему количеству транскриптов (нормализованная транскриптома экспрессия, например, транскриптов на миллион), так что то, что сравнивается между образцами, является относительной концентрацией транскриптов.
Однако интерпретация изменений в концентрации транскрипта зависит от общепринятого предположения о том, что общее количество транскрипта на клетку (размер транскриптома) в сравниваемых выборках одинаково. Однако становится все более очевидным, что размер транскриптома может значительно варьироваться, в некоторых случаях, между различными клетками, в том числе между диплоидными и полиплоидными клетками.
Если размер транскриптома не определен количественно, стандартные измерения не дают информации об уровнях экспрессии на клетку или на копию гена (ответы на дозировку гена) и корреляции нормализованных по транскриптому оценок экспрессии между образцами, которые различаются по размеру транскриптома, на самом деле могут вводить в заблуждение.
Таким образом, хотя нормализованные по транскриптому данные о экспрессии дают некоторое представление об откликах экспрессии после дупликации генома, необходимо будет сопоставить такие данные с оценками размера транскриптома, чтобы полностью понять эти ответы на уровне клетки или с точки зрения ответов на дозу гена. На сегодняшний день такие данные о дозовых реакциях, вызванных плоидностью, ограничены.
РРНК демонстрирует эффект дозирования 1-1 (масштабирование рРНК ДНК в 1-1) в ряду аутополиплоидов кукурузы (1x, 2x, 3x и 4x) и использовали нозерн-блоты для оценки дозовых реакций 18 белков -кодирующие гены путем нормализации их транскрипта по сравнению с рРНК.
Одиннадцать из 18 генов продемонстрировали дозовую реакцию 1-1 (равную экспрессию на геном) в тетраплоиде, но остальные семь генов продемонстрировали широкий диапазон дозовой реакции, причем количество транскриптов на геном в тетраплоиде варьировалось от 14% до 214% диплоида. Кроме того, только пять из 18 генов продемонстрировали 1-1 дозовую реакцию на всех четырех уровнях плоидности. Таким образом, экспрессия большинства исследованных генов не проявляла простой зависимости дозировки 1-1.
В аллотетраплоиде G. dolichocarpa большинство генов (76%) демонстрировали ответную дозу <1-1 (экспрессия на геном меньше, чем уровень среднего родителя) с общей средней дозовой реакцией в 0,7-кратной экспрессии на копию гена или 1,4- кратность экспрессии на клетку. Наблюдался полный спектр дозовых реакций: от менее чем в 0,5 раза на геном до более чем в два раза на геном. Подобные же вариации распределения дозовых реакций наблюдаются с синтетическими аутополиплоидами Arabidopsis.
В других исследованиях изучались реакции экспрессии в ряду плоидности, но при этом измерялась только нормализованная по транскриптому экспрессия, поэтому «грубые различия в общем накоплении мРНК не разрешаются», что означает, что никакие прямые выводы не могут быть сделано относительно дозировки ответов.
Тем не менее, поскольку изменения в концентрации транскрипта пропорциональны дозовому ответу, эти исследования действительно показывают степень, в которой дозовые отклики являются последовательными по всему геному и по повторным изменениям дозировки.
Исследовались паттерны экспрессии в аутополиплоидных сериях картофеля и кукурузы, соответственно, и наблюдались весьма вариабельные относительные изменения кратности среди генов и, для большинства отдельных генов, вариабельные ответы от одного уровня плоидности к следующему. Таким образом, «существует немного генов, если таковые имеются, экспрессия которых линейно связана с плоидностью». В нескольких исследованиях были исследованы аллельные ряды доз аллополиплоидов.
Эти исследования по необходимости сопоставляют гибридность и дозировку генов, и, как и в исследованиях, приведенных выше, их данные нормализованы по транскриптому, поэтому они отслеживают ответы только с точки зрения концентрации транскрипта, а не абсолютных дозовых ответов. Однако, варьируя дозировку гомеологов относительно друг друга, в отличие от сравнения генов, которые различаются по дозировке на разных уровнях плоидности, они обеспечивают ортогональный взгляд на ответы доз гена.
Оценивали дозовую зависимость у аллотетраплоидов Arabidopsis с различными дозировками Arabidopsis thaliana и Arabidopsis arenosaгеномы. Подобно наблюдениям выше, что дозовые ответы гена сильно варьируют, они также наблюдали значительные различия в ответах аллельной дозировки.
Девяносто девять процентов аллелей показали общую положительную корреляцию между дозировкой и нормированной транскриптомом экспрессией, и для большинства генов (54%) оба аллеля показали сильную дозовую зависимость (линейное увеличение экспрессии пропорционально аллельной дозировке). Но для 1% аллелей экспрессия снижалась с увеличением дозы, а для 45% локусов один или оба аллеля проявляли поведение, не зависящее от дозы (отсутствие или низкая корреляция между дозировкой и уровнем экспрессии).
Следовательно, в целом, хотя оценки абсолютных дозовых ответов ограничены, представляется, что дозовые ответы варьируются от гена к гену и от дозировки к дозировке. Относительно немногие гены демонстрируют строго линейную дозовую зависимость, и это справедливо даже в случае строгих аутополиплоидов.
В той степени, в которой гены действительно демонстрируют сходные положительные дозовые ответы, - «один без ответа вопрос: какой эффект оказывает увеличение общего уровня экспрессии генов без изменения относительного обилия генных продуктов на биологические пути?».
Ясно, что количество индивидуальных транскриптов для данного гена потенциально является важным параметром для понимания любого дифференциального ответа изогенных полиплоидов и диплоидов на общий стимул. Повышенная доза гена (и, соответственно, увеличение генного продукта) была связана с повышенной метаболической активностью и более высокой физической подготовкой у дрожжей.
Были предоставлены доказательства выбора для увеличения абсолютной дозы гена в различных путях метаболизма растений. Эти наблюдения подтверждают мнение о том, что абсолютные количества генного продукта влияют на клеточную биологию таким образом, который виден для отбора.
Недавние обзоры показали, что влияние аутополиплоидии на относительную концентрацию транскрипта у ряда видов растений, включая Arabidopsis, часто минимально, что также отмечается у дрожжей Storchova и, как правило, меньше, чем у аллополиплоидов.
Таким образом, строгое удвоение генома оказывает меньшее влияние на концентрацию транскрипта, чем гибридизация. Фактически, было показано , что удвоение F 1 гибридов Senecio для получения аллотетраплоидов улучшает транскриптомные эффекты гибридности. Аналогичные тенденции наблюдались и в Spartina и хлопка.
Однако в аллотетраплоидах риса образуется гибридизация Oryza sativa subsp. japonica и indica, различия в родительской экспрессии были в значительной степени разработаны на уровне полиплоидов, что, как мы предполагаем, является следствием стехиометрических нарушений, связанных с многочисленными хромосомными упаковками и объемными изменениями, сопровождающими возникающую полиплоидию.
Обнаружены различия в количестве дифференциально выраженных генов (DEG) являются, по крайней мере, частично результатом различий в методологии и статистической мощности, но эксперименты по профилированию транскриптов на нескольких автотетраплоидных таксонах в целом обнаружили, что ≤10% генов экспрессируются дифференциально, тогда как это число, как правило, выше в исследованиях экспрессии аллополиплоидов.
Например, в зависимости от присоединения девять или 476 генов были дифференцированно экспрессированы в синтетических аутотетраплоидах Arabidopsis по сравнению с их диплоидными родителями, по сравнению с приблизительно 1400 генами, которые были дифференцированно экспрессированы между синтетическими allotetraploids Arabidopsis suecica и их диплоидными родителями. Незначительные эффекты плоидности на экспрессию генов вряд ли могут объяснить фенотипы полиплоидов, хотя этот вывод является спорным.
Полиплоидизация не вызывает специфических событий репрограммирования транскрипции, а скорее увеличивает транскрипционный и трансляционный выход одного и того же набора генных продуктов, необходимых для типа клеток - конкретная функция. На чистое количество данного транскрипта или других молекулярных видов также влияет скорость его разложения.
Теоретически, стабильность транскриптов, белков и метаболитов не должна изменяться непосредственно дозировкой гена, поэтому может быть разумным предположить, что скорость разложения не будет отличаться между аутополиплоидом и диплоидом, из которого он был получен, до такой степени, что это внутреннее свойство данной молекулы. В соответствии с этим, наблюдаются постоянные скорости деградации транскриптов FLC у арабидопсисанесмотря на большую межклеточную дисперсию в количестве транскрипта FLC.
FLC-транскрипты демонстрировали постоянный период полураспада ~ 6 часов независимо от размера клеток. Сильная линейная корреляция между объемом и количеством транскриптов была верна для стабильных или короткоживущих транскриптов (длительный или короткий период полураспада).
Для двух короткоживущих транскриптов скорости деградации были сопоставимы между большими и маленькими клетками, но скорость транскрипции масштабировалась с объемом. Вместе эти результаты показывают, что концентрация мРНК является в первую очередь продуктом скорости транскрипции, а не скорости деградации.
