Размер генома и эволюция новых генов

Хотя у каждого живого организма есть какой-то геном (будь то РНК или ДНК), существуют значительные различия в размерах этих чертежей. Одним из основных факторов, влияющих на размер генома, является то, прокариотический или эукариотический это организм. У прокариот геном не содержит или содержит мало некодирующих последовательностей, так что гены объединены в плотные группы, или опероны, последовательно расположенные вдоль хромосомы. И наоборот, гены эукариот перемежаются длинными участками некодирующей последовательности. В целом, это способствует тому феномену, что геномы прокариот в среднем меньше (т.е. содержат меньше оснований), чем у эукариот.

Учитывая это наблюдение, неудивительно, что самые маленькие из известных геномов – это в основном прокариоты. Candidatus Carsonella rudii, например, представляет собой сильно упрощенную протеобактерию, размер генома которой составляет всего 160 тысяч пар оснований. Потеряв многие гены, необходимые для синтеза жизненно важных белков, она превратилась в облигатного внутриклеточного симбионта. На противоположном конце спектра эукариотическое японское цветущее растение Paris japonica – один из крупнейших известных геномов, насчитывающий около 150 миллиардов пар оснований. Хотя количество кодируемых им генов неизвестно, в геноме наблюдается большое количество дупликаций и некодирующих последовательностей.

В геноме среднего прокариота примерно 3 000 генов. У среднего эукариота их около 20 000. Но размер генома, особенно у эукариот, очень изменчив – в значительной степени из-за количества некодирующих последовательностей.

Создание новых генов

У организмов есть несколько основных возможностей для развития новых генов. У большинства из них есть одна общая черта: они изменяют уже существующие последовательности.

Дупликация играет важную роль в создании новых генов, и существует несколько типов дупликации, которые могут привести к появлению этих новых последовательностей. При дупликации гена удваивается участок ДНК, содержащий ген. Вторая копия не сталкивается с давлением отбора, которое ограничивает первую, и поэтому может изменяться. Со временем это может привести к появлению новых генов с новыми ролями.

Другой тип дупликации – перетасовка ДНК – может привести к тому, что часть гена будет дублирована и присоединена к другому гену. Это может привести к созданию новых генов с новыми продуктами.

Иногда новые гены просто развиваются в результате накопленных со временем мутаций. Это называется внутригенной мутацией и наиболее заметно при сравнении различных видов или разных популяций.

Наконец, можно также получить новые гены из внешних источников в процессе, известном как горизонтальная передача генов. Это означает, что генетический материал может быть принят от других особей, иногда тех же видов, но потенциально и от совсем других видов. Это частый источник новых генов у прокариот и архей. Для эукариот это менее характерно, но было показано, что может происходить, и эукариоты могут даже получать генетическую информацию из таких отдаленных источников, как бактерии или грибы.