1.7: Genevolution - schnell oder langsam?

Gene Evolution – Fast or Slow?
JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Gene Evolution – Fast or Slow?

7,075 Views

02:05 min
November 23, 2020

Overview

The genomes of eukaryotes are punctuated by long stretches of sequence which do not code for proteins or RNAs. Although some of these regions do contain crucial regulatory sequences, the vast majority of this DNA serves no known function. Typically, these regions of the genome are the ones in which the fastest change, in evolutionary terms, is observed, because there is typically little to no selection pressure acting on these regions to preserve their sequences.

In contrast, regions which code for a protein might experience high selection pressure, because any changes in their sequence are likely to result in a protein which is less capable of performing its function optimally. However, occasionally a mutation in one of these regions will result in a beneficial outcome that contributes to the overall fitness of the organism, and such mutations often persist and may even become fixed in populations. When comparing the frequency of these mutation events to the relatively regular changes seen in non-coding sequences, this is exceedingly rare, and so in general coding regions are considered as evolving slowly.

It is also true that there is a measurable amount of variation in the levels of sequence conservation within coding sequences, and this is seen across all organisms. For instance, take the example of a receptor protein. Such proteins typically have different regions that may perform functions such as ligand binding, or intracellular signaling, or membrane integration. In this case, a mutation in the region that is involved in ligand binding may produce a protein that is less efficient at binding the ligand. Therefore, selection pressure would likely be high on the particular nucleotides coding for this part of the protein. However, in the section of the protein which spans the membrane, there may be less effect seen if an amino acid substitution occurs, and therefore lower levels of selection pressure. Under these conditions, we might see that two regions of the same protein-coding gene might have different rates of evolution.

Sequencing Genes or Genomic Regions to Build Phylogenies

This variation in the speed of genome evolution over different regions can be studied to answer questions about evolutionary relationships. Genes and gene regions can be selected and sequenced over groups of individuals to answer questions as narrow as “are these populations potentially different species?” or as broad as “how do these phyla place into the tree of life?”. For the former, selecting a gene that has a relatively lightly conserved region would help to identify population-level differences. Conversely, to answer questions over groups as diverse as phyla, a highly conserved gene region may provide enough homology to produce a phylogeny of such groups. Commonly used regions for molecular phylogenetic analyses such as these include ribosomal rRNA genes (such as 16s rRNA, 18s rRNA, or 28s rRNA), or genomic regions known as ITS (Internal Transcribed Spacers, I or II) which sit between the ribosomal rRNA subunit genes.

Transcript

Die Art und Weise, wie sich Mutationen auf das Überleben einer Zelle auswirken, hängt stark vom Ort der genetischen Veränderung ab. In Regionen des Genoms, die nicht für Gene oder regulatorische Regionen kodieren, können Mutationen nur geringe Auswirkungen haben, so dass die Zelle oft wie gewohnt weitermachen kann.

Der Gesamteffekt ist, dass sich nicht-kodierende Sequenzen evolutionär gesehen ziemlich schnell verändern können, was bedeutet, dass diese Regionen eines Genoms selbst bei zwei eng verwandten Arten fast nicht erkennbar sein können.

In kodierenden Sequenzen werden Mutationen jedoch nicht so frei angenommen. In sehr seltenen Fällen können sie jedoch von Vorteil sein, wie z. B. eine Mutation in einem Gen für ein Enzym, die eine bessere Bindungsaffinität für das Substrat erzeugt; Die meisten werden nachteilig sein.

Schauen wir uns zum Beispiel das 16s rRNA-Gen an. Es kodiert für eine strukturelle RNA, die Teil des Ribosoms ist. Einige der Regionen dieser RNA sind entscheidend für die Ribosomenfunktion, und Veränderungen in diesen Segmenten sind außergewöhnlich selten. Diese hochkonservierten Regionen verändern sich so langsam, dass sie zur Untersuchung der Sequenzhomologie über Stämme, Königreiche und sogar alle lebenden Arten hinweg verwendet werden können – was sie zu einem wertvollen Werkzeug macht, um die Beziehungen zwischen selbst entfernt verwandten Organismen zu untersuchen.

Es gibt jedoch immer noch Abschnitte der 16s-rRNA-Sequenz, die für ihre Funktion weniger kritisch sind und sich möglicherweise etwas schneller entwickeln. Diese “variablen Regionen” können nützlich sein, um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen näher verwandten Arten – wie Gattungen oder auch Bakterienstämmen – aufzuklären.

Insgesamt führt dies zu dem Phänomen, dass sich verschiedene Genomregionen mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit entwickeln können, selbst innerhalb von Regionen, die für ein einzelnes Gen kodieren.

Key Terms and definitions​

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for