Back to chapter

1.8:

Размер генома и эволюция новых генов

JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Genome Size and the Evolution of New Genes

Languages

Share

Несмотря на простоту генетического кода, существуют значительные различия с точки зрения размера генома, от самых маленьких из известных геномов, в том числе протеобактерий Candidatus Carsonella ruddii, содержащая менее 160, 000 пар оснований, до самых крупных, Таких, как японское цветущее растение Вороний глаз японский”у которого этих пар около 150 миллиардов. Несмотря на эти крайности, бактерии и археи как правило, имеют около 3, 000 генов внутри геномов. Поскольку у прокариот практически нет некодирующих последовательностей, это означает, что их геномы могут быть относительно невелики по сравнению с геномами эукариот.Более мелкие геномы также означают, меньший объём реплицируется в каждом раунде деления клетки, что способствует быстрому воспроизведению. Обычно у эукариот имеется приерно 20, 000 генов, но их геномы размечены длинными отрезками некодирующей последовательности, поэтому размер их генома не обязательно означает огромный объём информации. Геном Вороньего глаза японского может быть более, чем в 50 раз больше генома человека, но это объясняется, по крайней мере, от части, огромным числом участков некодирующей последовательности и, возможно, высоким уровнем дублирования, а не присутствием большого числа новых генов.Так как же у организмов появляются новые гены? Обычно это происходит путём модификации уже существующей последовательности. Одним из основных способов развития новых генов является дублирование генов.Представьте себе, что отрезок ДНК, содержащий ген, случайно дублируется. Теперь у организма есть вторая копия существующего гена. Такие новые генные копии не имеют ограничений, налагаемых на оригинал для поддержки функции.Поэтому они могут, потенциально, разойтись”развивая новый способ применения или модифицированную функцию по сравнению с оригиналом. Еще один способ создать новые гены перемешивать ДНК, когда сегменты существующего гена или копии гена разделяются и перемещаются, и присоединяются к сегментам другого гена, формируя гибридный ген, который может взять на себя новую функцию. Интрагенная мутация, т.е.изменения в последовательности генов, внесённые мутациями с течением времени, произвели много новых генов. Это расхождение наиболее заметно, при сравнении видов или родов, которые расходятся независимо друг от друга. Как только это расхождение выходит за определённые рамки, тот или иной ген берет на себя новую функцию.теперь они могут быть классифицированы как совершенно разные гены. Наконец, горизонтальный перенос генов приносит новые гены и последовательности в геном от внешних источников, таких, как другие представители вида и даже другие виды. Этот тип получения новых генов наиболее типичен для прокариот и архей, и перенос генов устойчивости к антибиотикам яркий тому пример.В то время как у эукариот этот механизм встречается редко, он всё же рассматриваться в качестве одного из важнейших источников генетического обновления. Генетический материал может поступить даже от весьма отдалённо связанных видов, таких как бактерии и грибы в этом примере.

1.8:

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.