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.
돌연변이가 세포의 생존에 영향을 미치는 방식은 유전적 변화의 위치에 따라 크게 달라집니다. 유전자 또는 조절 영역을 암호화하지 않는 게놈 영역에서는 돌연변이가 거의 영향을 미치지 않을 수 있으므로 세포가 평소와 같이 계속되는 경우가 많습니다.
전반적인 효과는 비암호화 염기서열(non-coding sequences)이 진화론적 관점에서 상당히 빠르게 자유롭게 변화할 수 있다는 것인데, 이는 게놈의 이러한 영역이 밀접하게 관련된 두 종에서도 거의 인식할 수 없을 수 있음을 의미한다.
그러나 코딩 서열에서 돌연변이는 그렇게 자유롭게 채택되지 않습니다. 매우 드문 경우이지만 효소에 대한 유전자의 돌연변이와 같이 기질에 대한 더 나은 결합 친화력을 생성하는 것과 같이 유익할 수 있습니다. 대다수는 해로울 것입니다.
예를 들어 16s rRNA 유전자를 살펴보겠습니다. 그것은 리보솜의 일부를 형성하는 구조적 RNA를 암호화합니다. 이 RNA의 일부 영역은 리보솜 기능에 중요하며 이러한 세그먼트의 변화는 매우 드뭅니다. 이 고도로 보존된 영역은 매우 천천히 변화하여 문, 왕국 및 모든 살아있는 종에 걸친 염기서열 상동성을 조사하는 데 사용할 수 있으므로 멀리 관련된 유기체 간의 관계를 연구하는 데 유용한 도구가 됩니다.
그러나 16s rRNA 염기서열 중 기능에 덜 중요한 부분이 여전히 있으며, 이는 약간 더 빠르게 진화할 수 있습니다. 이러한 “가변 영역”은 박테리아의 속 또는 균주와 같이 더 밀접하게 관련된 종 간의 관계를 설명하는 데 유용할 수 있습니다.
전반적으로, 이것은 서로 다른 게놈 영역이 단일 유전자를 암호화하는 영역 내에서도 매우 다른 속도로 진화할 수 있는 현상으로 이어집니다.
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