1.8: Wielkość genomu i ewolucja nowych genów

Chociaż każdy żywy organizm ma jakiś genom (czy to RNA, czy DNA), istnieją znaczne różnice w rozmiarach tych planów. Jednym z głównych czynników wpływających na wielkość genomu jest to, czy organizm jest prokariotyczny czy eukariotyczny. U prokariontów genom zawiera niewiele lub nie zawiera żadnej sekwencji niekodującej, tak że geny są ściśle zgrupowane w grupy lub operony sekwencyjnie wzdłuż chromosomu. I odwrotnie, geny u eukariontów są przerywane długimi odcinkami sekwencji niekodującej. Ogólnie rzecz biorąc, przyczynia się to do zjawiska, że genomy prokariotyczne są średnio mniejsze (tj. zawierają mniej zasad) niż genomy eukariontów.

Nic dziwnego, biorąc pod uwagę tę obserwację, najmniejsze znane genomy to w większości prokariota. Na przykład Candidatus Carsonella rudii jest bardzo uproszczonym proteobacterium, którego genom ma rozmiar zaledwie 160 tysięcy par zasad. Utraciwszy wiele genów potrzebnych do syntezy białek niezbędnych do życia, ewoluował, aby stać się obowiązkowym symbiontem wewnątrzkomórkowym. Na przeciwległym końcu spektrum znajduje się japońska roślina kwitnąca eukariont Paris japonica, który jest jednym z największych znanych genomów, liczącym około 150 miliardów par zasad. Chociaż liczba genów, które to koduje, nie jest znana, genom wykazuje ogromne ilości duplikacji i sekwencji niekodujących.

W genomie przeciętnego prokariota znajduje się około 3000 genów. Przeciętny eukariont ma około 20 000 osobników. Ale rozmiar genomu, zwłaszcza u eukariontów, jest szalenie zmienny – w dużej mierze ze względu na ilość sekwencji niekodujących.

Tworzenie nowych genów

Aby wyewoluować nowe geny, organizmy mają kilka głównych opcji. Jedyną wspólną cechą większości z nich jest to, że modyfikują sekwencje, które już istnieją.

Duplikacja odgrywa ważną rolę w tworzeniu nowych genów i istnieje kilka rodzajów duplikacji, które mogą prowadzić do powstania tych nowych sekwencji. W duplikacji genu fragment DNA zawierający gen jest duplikowany. Ta druga kopia nie jest narażona na presję selekcyjną, która ogranicza pierwszą, a więc może się różnić. Z czasem może to doprowadzić do ewolucji nowych genów o nowych rolach.

Inny rodzaj duplikacji – tasowanie DNA – może spowodować, że tylko część genu zostanie zduplikowana i dołączy do innego genu. Może to doprowadzić do powstania nowych genów z nowymi produktami.

Czasami nowe geny po prostu ewoluują z nagromadzonych mutacji w czasie. Jest to znane jako mutacja wewnątrzgenowa i jest najbardziej zauważalne podczas porównywania między gatunkami lub rozbieżnymi populacjami.

Wreszcie, możliwe jest również uzyskanie nowych genów ze źródeł zewnętrznych, w procesie znanym jako horyzontalny transfer genów. Oznacza to, że materiał genetyczny może pochodzić od innych osobników, czasami z tego samego gatunku, ale także potencjalnie z zupełnie innego gatunku. Jest to częste źródło nowych genów u prokariontów i archeonów. Jest to mniej powszechne u eukariontów, ale wykazano, że występuje, a eukarionty mogą nawet zbierać informacje genetyczne ze źródeł tak odległych, jak bakterie lub grzyby.