Genomgröße und die Evolution neuer Gene

Trotz der einfachen Natur des genetischen Codes gibt es erhebliche Unterschiede in Bezug auf die Genomgröße, von den kleinsten bekannten Genomen - einschließlich des Proteobacteriums Candidatus Carsonella ruddii mit weniger als 160 Tausend Basenpaaren - bis hin zu den größten, wie der japanischen Blütenpflanze Paris japonica mit etwa 150 Milliarden><.
Trotz dieser Extreme haben Bakterien und Archaeen in der Regel rund 3.000 Gene in ihrem Genom. Da Prokaryoten fast keine nicht-kodierenden Sequenzen haben, bedeutet dies, dass ihre Genome im Vergleich zu denen von Eukaryoten relativ klein sein können. Kleinere Genome bedeuten auch, dass bei jeder Zellteilungsrunde weniger repliziert werden muss - was für eine schnelle Reproduktion logistisch sinnvoll ist.

Eukaryoten haben in der Regel etwa 20.000 Gene, aber ihre Genome sind von langen Abschnitten nicht-kodierender Sequenz durchzogen - was bedeutet, dass ihre Genomgröße nicht unbedingt zu Komplexität führt.

Das Genom von Paris japonica mag mehr als fünfzigmal so groß sein wie das menschliche Genom - aber das ist zumindest teilweise auf große Mengen an nicht-kodierender Sequenz und wahrscheinlich ein hohes Maß an Duplikation zurückzuführen - nicht unbedingt auf neuere Gene.

Wie entwickeln Organismen also neue Gene? Die Antwort besteht in der Regel darin, die bereits vorhandene Sequenz zu ändern.

Eine der Hauptressourcen für die Evolution neuer Gene ist die Genduplikation. Stellen Sie sich vor, ein DNA-Abschnitt, der ein Gen enthält, wird versehentlich dupliziert. Nun besitzt der Organismus eine zweite Kopie eines vorhandenen Gens.

Solche neuen Genkopien sind frei von den Zwängen, die dem Original auferlegt werden, um ihre Funktion aufrechtzuerhalten, und können daher divergieren - möglicherweise eine neue Rolle oder eine modifizierte Funktion des Originals entwickeln.

Eine weitere Möglichkeit, neue Gene zu erzeugen, ist das DNA-Shuffling - bei dem Segmente eines vorhandenen Gens oder einer Genkopie getrennt und verschoben werden, um sich mit denen eines anderen Gens zu verbinden - wodurch ein Hybridgen entsteht, das eine neue Funktion übernehmen kann.

Intragene Mutation - die Veränderungen in einer Gensequenz, die durch Mutationen im Laufe der Zeit eingeführt werden, sind für viele "neue" Gene verantwortlich. Diese Divergenz macht sich am deutlichsten, wenn man Arten oder Abstammungslinien vergleicht, die ihrerseits unabhängig voneinander auseinanderdriften. Sobald diese Divergenz über einen bestimmten Punkt hinausgeht oder ein Gen eine neue Funktion übernimmt, können sie als völlig unterschiedliche Gene klassifiziert werden.

Schließlich bringt der horizontale Gentransfer neue Gene und Sequenzen aus externen Quellen in das Genom ein - wie andere Individuen und sogar andere Arten. Diese Art der neuartigen Genakquisition ist am häufigsten bei Prokaryoten und Archaeen, wobei der Transfer von Antibiotikaresistenzgenen ein bekanntes Beispiel ist.

Obwohl es bei Eukaryoten selten ist, gilt es immer noch als wesentliche Quelle für genetische Neuheit, und genetisches Material kann sogar von entfernt verwandten Arten stammen, wie in diesem Beispiel die Bakterien und Pilze.