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1.8:

Dimensione del genoma ed evoluzione di nuovi geni

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Molecular Biology
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Genome Size and the Evolution of New Genes

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Nonostante la semplice natura del codice genetico, c’è una notevole variazione in termini di dimensione del genoma, dai genomi più piccoli conosciuti, come il 00:00:10.910 00:00:13.670 proteobatterio candidatus Carsonella ruddii a meno di 160.000 paia di basi, ai più grandi come il fiore Paris japonica a circa 150 miliardi. Estremi a parte, i batteri e gli archea hanno generalmente circa 3, 000 geni all’interno dei loro genomi. I procarioti quasi non possiedono sequenze non codificanti, ciò significa che i loro genomi possono essere relativamente piccoli rispetto a quelli degli eucarioti.Genoma più piccolo significa anche minore capacità di replicare ad ogni ciclo della divisione cellulare, che da senso logico alla riproduzione più veloce. Gli eucarioti hanno tipicamente regioni di 20, 000 geni, ma i loro genomi sono punteggiati da lunghi tratti di sequenza non codificante, il che significa che la loro dimensione di genoma non necessariamente ne traduce la complessità. 00:01>00.01 07.820 Il genoma del fiore Paris japonica può essere oltre 50 volte la dimensione del genoma umano, ma ciò è dovuto almeno in parte a grandi quantità di sequenza non codificante 00:01:17.520 00:01:20.270 e probabilmente alti livelli di duplicazione, non necessariamente per nuovi geni.Allora, come gli organismi creano nuovi geni? La risposta è in genere modificando la sequenza che già esistente. Una delle risorse primarie dei i nuovi geni per evolvere è attraverso la duplicazione dei geni.Immaginate che una sezione di DNA contenente un gene venga accidentalmente duplicato. L’organismo avrà una seconda copia di un gene già esistente. Tali nuove copie geniche sono esenti dai vincoli posti all’originale per mantenere la sua funzione.Le due copie possono quindi potenzialmente divergere creando un nuovo ruolo o modificando la funzione originale. Un altro modo per creare nuovi geni è il DNA shuffling, dove segmenti di un gene esistente o copia del gene sono separati e si spostano per unire quelli di un gene diverso, 00:02:11.610 00:02:16.500 creando un gene ibrido che può assumere una nuova funzione. La mutazione intragenica, i cambiamenti in una sequenza genica indotti dalle mutazioni nel tempo, rappresenta molti nuovi geni.Questa divergenza è più evidente quando si confrontano specie o linee che divergono indipendentemente. Una volta che questa divergenza è oltre un certo punto o che un gene assume una nuova funzione, possono essere classificati interamente come geni diversi. Infine, il trasferimento genico orizzontale porta in nuovi geni e nuove sequenze al genoma da fonti esterne, da altri individui e anche da altre specie.Questo tipo di acquisizione di nuovi geni è più comune nei procarioti e negli archea con il trasferimento di geni di resistenza agli antibiotici come esempio ben noto;metre è raro negli eucarioti, è ancora considerato una fonte essenziale di novità genetiche. Il materiale genetico può anche derivare da specie non correlate, come i batteri e funghi in questo esempio.

1.8:

Dimensione del genoma ed evoluzione di nuovi geni

While every living organism has a genome of some kind (be it RNA, or DNA), there is considerable variation in the sizes of these blueprints. One major factor that impacts genome size is whether the organism is prokaryotic or eukaryotic. In prokaryotes, the genome contains little to no non-coding sequence, such that genes are tightly clustered in groups or operons sequentially along the chromosome. Conversely, the genes in eukaryotes are punctuated by long stretches of non-coding sequence. Overall, this contributes to the phenomena that prokaryotic genomes tend to be smaller (i.e. contain fewer bases) on average than those of eukaryotes.

Unsurprisingly, given this observation, the smallest known genomes are mostly prokaryotes. Candidatus Carsonella rudii, for example, is a highly simplified proteobacterium which has a genome size of just 160 thousand base-pairs. Having lost many genes that it needed to synthesize life-essential proteins, it has evolved to be an obligate intracellular symbiont. At the opposite end of the spectrum, the eukaryote Japanese flowering plant Paris japonica is one of the largest known genomes, at around 150 billion base-pairs. Although the number of genes this encodes isn’t known, the genome shows vast amounts of duplication and non-coding sequence.

Within the genome of an average prokaryote there are roughly 3,000 genes. The average eukaryote has somewhere in the region of 20,000. But the genome size, especially in eukaryotes, is wildly variable – in large part due to the amount of non-coding sequence.

The Creation of New Genes

In order to evolve new genes, organisms have a few main options. The one thing most of these have in common is that they modify sequences that already exist.

Duplication plays an important role in creating new genes, and there are a few types of duplication that can result in these novel sequences. In gene duplication, a section of DNA containing a gene is duplicated. This second copy does not face the selection pressure which constrains the first, and so it can diverge. In time, this can lead to the evolution of novel genes, with new roles.

Another type of duplication – DNA shuffling – can result in just a section of a gene being duplicated and joining another gene. This can result in the creation of novel genes, with novel products.

Sometimes new genes simply evolve from accumulated mutations over time. This is known as intragenic mutation, and is most noticeable when comparing across species or divergent populations.

Finally, it is also possible to obtain new genes from external sources, in a process known as horizontal gene transfer. This means genetic material can be incorporated from other individuals, sometimes of the same species, but also potentially from another species entirely. This is a frequent source of novel genes in prokaryotes and archaea. It is less common in eukaryotes, but has been shown to occur, and eukaryotes can even pick up genetic information from sources as distant as bacteria or fungi.