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1.8:

Tamanho do Genoma e a Evolução de Novos Genes

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Molecular Biology
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Genome Size and the Evolution of New Genes

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Apesar da natureza simples do código genético, há uma variação considerável em termos do tamanho do genoma, do menor genoma conhecido, incluindo a proteobacteria Candidatus Carsonella ruddii com menos de 160, 000 pares base, aos maiores, como a planta de flores japonesa Paris japonica com cerca de 150 bilhões. Apesar destes extremos, bactérias e archaea geralmente têm cerca de 3, 000 genes dentro de seus genomas. Porque os procariotas têm quase nenhuma sequência de não codificação, isto significa que seus genomas podem ser relativamente pequenos comparados com aqueles de eucariotas.Genomas menores também significa menos para replicar em cada ronda de divisão de célula, que faz sentido logístico para uma reprodução rápida. Eucariotas tipicamente tem algo próximo do número de 20, 000 genes, mas seus genomas são pontuados por longos períodos da sequência de não codificação, significando que em genoma, o tamanho não necessariamente traduz para complexidade. O genoma da Paris japonica pode ser mais de 50 vezes o tamanho do genoma humano, mas isso é devido pelo menos em parte pela vasta quantidade de sequências de não codificação e provavelmente alto nível de duplicação, não necessariamente mais genes novos.Então como os organismos desenvolvem novos genes? A resposta é geralmente modificando a sequência que já existe. Um dos principais recursos para que novos genes evoluam é através da duplicação de genes.Imagine uma seção de DNA contendo um gene é acidentalmente duplicado. Agora o organismo tem uma segunda cópia de um gene existente. Estas novas cópias genéticas são livres das restrições colocadas na original para manter a função.E assim eles podem divergir, potencialmente desenvolvendo uma nova função ou uma diferente da função original. Outra forma de criar um novo gene são recombinações do DNA, onde segmentos de um gene existente ou cópia gênica são separados e movem-se para aderir os de um gene diferente, fazendo um gene híbrido que pode assumir uma nova função. Mutação intragênica, as alterações numa sequência genética introduzida por mutações ao longo do tempo, é responsável por muitos novos genes.Esta divergência é mais percetível ao comparar espécies ou linhagens que são divergentes, independentemente. Uma vez que esta divergência vai além de um determinado ponto ou um gene assume uma nova função. Eles podem ser classificados como genes diferentes inteiramente.Finalmente, a transferência genética horizontal traz um novo gene ou sequências genes para o genoma de fontes externas, como outros indivíduos e mesmo outras espécies. Este tipo de nova aquisição genética é o mais comum dentro procariotas e archaea com a transferência de genes de resistência aos antibióticos sendo um exemplo bem conhecido. Enquanto raro em eucariotas, ainda é considerada como fonte essencial de novidade genética.E material genético pode até vir de espécies distalmente relacionadas, como as bactérias e fungos neste exemplo.

1.8:

Tamanho do Genoma e a Evolução de Novos Genes

Embora todos os organismos vivos tenham algum tipo de genoma (seja RNA, ou DNA), existe uma variação considerável nos tamanhos destes mapas. Um factor importante que afecta o tamanho do genoma é se o organismo é procariótico ou eucariótico. Nos procariotas, o genoma contém pouca ou nenhuma sequência não codificante, de modo que os genes estão fortemente agrupados em grupos ou operões sequencialmente ao longo do cromossoma. Inversamente, os genes em eucariotas são pontuados por longas porções de sequências não codificantes. No geral, isto contribui para o fenómeno de os genomas procarióticos tenderem a ser menores (ou seja, conterem menos bases) em média do que os dos eucariotas.

Sem surpresa, dada esta observação, os menores genomas conhecidos são principalmente de procariotas. Candidatus Carsonella rudii, por exemplo, é uma proteobactéria altamente simplificada que tem um tamanho genómico de apenas 160 mil pares de bases. Tendo perdido muitos genes de que precisava para sintetizar proteínas essenciais à vida, evoluiu para ser um simbionte intracelular obrigatório. No extremo oposto do espectro, a planta florescente Japonesa eucariótica Paris japonica tem um dos maiores genomas conhecidos, com cerca de 150 mil milhões de pares de bases. Embora o número de genes que codifica não seja conhecido, o genoma mostra grandes quantidades de duplicações e de sequências não codificantes.

Dentro do genoma de um procariota existem em média cerca de 3.000 genes. Um eucariota tem em média cerca de 20.000. Mas o tamanho do genoma, especialmente em eucariotas, é extremamente variável – em grande parte devido à quantidade de sequências não codificantes.

A Criação de Novos Genes

Para evoluir novos genes, os organismos têm algumas opções principais. A coisa que a maioria delas tem em comum é que modificam sequências já existentes.

A duplicação desempenha um papel importante na criação de novos genes e existem alguns tipos de duplicação que podem resultar nestas sequências inovadoras. Na duplicação genética, uma secção de DNA contendo um gene é duplicada. Essa segunda cópia não enfrenta a pressão de seleção que restringe a primeira e, portanto, pode divergir. Com o tempo, isto pode levar à evolução de novos genes, com novas funções.

Outro tipo de duplicação – o shuffling de DNA – pode resultar na duplicação de uma secção de um gene e na sua junção a outro gene. Isto pode resultar na criação de novos genes, com novos produtos.

Por vezes, novos genes simplesmente evoluem a partir de mutações acumuladas ao longo do tempo. Isto é conhecido como mutação intragénica, e é mais perceptível quando comparada entre espécies ou populações divergentes.

Por fim, também é possível obter novos genes a partir de fontes externas, em um processo conhecido como transferência horizontal de genes. Isto significa que o material genético pode ser incorporado a partir de outros indivíduos, por vezes da mesma espécie, mas também potencialmente inteiramente de outra espécie. Esta é uma fonte frequente de novos genes em procariotas e arquéias. É menos comum em eucariotas, mas tem-se mostrado que ocorrem, e eucariotas podem até recolher informações genéticas a partir fontes tão distantes como bactérias ou fungos.