Biologia
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Biologia > Genetyka > Geny i ewolucja 
  Indeks
Genetyka
Historia odkryć . . .
Podstawy genetyki
Genetyka molekularna
Geny i ewolucja
Wstęp
Porównywanie . . .
Historia zapisana . . .
Co było pierwsze . . .
Świat wirusów i . . .
Inżynieria genetyczna
Słowniczek
  Źródło
Wybrane fragmenty pochodzą z książki
Język genów autorstwa Paul'a Berg'a i Maxine Singer


  Historia zapisana w genach
 
Geny jako historia
 
D
o tej pory rozważaliśmy ewolucję w odniesieniu do historii poszczególnych gatunków. Jednak w cząsteczkach DNA zapisana jest jeszcze inna historia – powstawanie samych genów. Sekwencje DNA dają mnóstwo informacji o powstawaniu nowych genów, a więc i nowych cech organizmów.
       Przypomnijmy, że w genomach złożonych organizmów wiele sekwencji DNA występuje więcej niż jeden raz. Powtórzenia powstają w wyniku losowych zakłóceń syntezy DNA i w wyniku rekombinacji. Na skutek transpozycji i rekombinacji kopie DNA mogą pojawić się w nowych miejscach, a nawet na innych chromosomach. Znakomitym tego przykładem jest znowu rodzina genów hemoglobinowych. Liczne geny dla polipeptydów typu β-globiny są uszeregowane na ludzkim chromosomie 11. W dodatku na chromosomie 16 występują jeden za drugim liczne geny dla polipeptydów typu α-globiny. Podobieństwo sekwencji kodujących oraz rozmieszczenie intronów w rodzinie genów α-i β-globinowych silnie przemawia za tym, że wszystkie one pochodzą od jednego wspólnego przodka. Jest wysoce nieprawdopodobne, żeby takie podobieństwo mogło być wynikiem procesów losowych.
       Przypadek hemoglobiny nie jest niczym niezwykłym. W genomie określonego gatunku podobne geny (lub inne odcinki DNA) często pochodzą od jednej pierwotnej sekwencji. Rozważmy, co może się stać, gdy odcinek DNA na skutek wydarzenia losowego zostanie zduplikowany? Załóżmy, że jedna kopia genu dostarcza odpowiedniego polipeptydu (lub RNA) w ilości wystarczającej do normalnego funkcjonowania. Dodatkowych kopii nie dotyczy więc presja ograniczająca powstawanie i gromadzenie się mutacji w genach ulegających ekspresji. Zmiany w sekwencji nukleotydowej dodatkowej kopii genu mogą doprowadzić do pojawienia się zupełnie nowych możliwości funkcjonalnych, które mogą zostać zachowane podczas ewolucji. W innym przypadku dodatkowa kopia mogłaby znaleźć się pod kontrolą nowych lub zmienionych sygnałów regulatorowych i ulegać ekspresji w innych stadiach rozwoju lub tylko w pewnych rodzajach tkanek. Jest jeszcze inna możliwość: jeśli w dodatkowej kopii nastąpi mutacja unieczynniająca, wówczas kopia ta stanie się pseudogenem. Rodzina genów hemoglobinowych dostarcza przykładów wszystkich tych trzech możliwości. Może być wreszcie i tak, że kopia po prostu zniknie w wyniku rearanżacji DNA. Może się tak stać na przykład wtedy, gdy – z powodu negatywnych skutków obecności dodatkowej kopii lub występowania innych mutacji – osobniki niosące powielony gen nie będą mogły mieć potomstwa.
Niektóre geny ewoluują przez powielenie pojedynczego eksonu
       Mówiliśmy o tym, że nowe geny mogą powstawać z kopii już istniejących genów. Nowe geny mogą także pojawiać się jako nowe kombinacje kopii odcinków kodujących, czyli eksonów. W niektórych przypadkach pojedynczy ekson może być zduplikowany, dając w ten sposób powtórzenie eksonów. Struktura nowego genu ujawnia się w kodowanym białku jako wielokrotne powtórzenie pewnego segmentu polipeptydowego. Na przykład gen receptora oczyszczającego krew z cholesterolu zawiera wielokrotne powtórzenia eksonu, występującego również w innych genach. W innych przypadkach gen przypomina mozaikę powstałą na drodze łączenia kopii pojedynczych eksonów pochodzących z różnych innych genów, co nazywa się tasowaniem eksonów. Eksony o wspólnym pochodzeniu występują w wielu genach o zupełnie innych funkcjach. Takie same eksony, występujące w różnych genach prawdopodobnie kodują regiony polipeptydów, które wyposażają zasadniczo odmienne białka w pokrewne właściwości. Na przykład trifosforan adenozyny (ATP), pochodna adeniny wchodzącej w skład DNA i RNA, wypełnia swą rolę głównego przekaźnika energii we wszystkich komórkach żywych, wiążąc się z wieloma różnymi białkami. W wielu białkach fragmenty wiążące ATP są bardzo podobne, a kodujące je eksony prawdopodobnie pochodzą od wspólnego przodka. Również ekson powtórzony w genie receptora powierzchniowego, oczyszczającego krew z cholesterolu, wchodzi w skład wielu genów kodujących receptory powierzchniowe wiążące się z zupełnie innymi cząsteczkami obecnymi we krwi. W pewnym sensie przypomina to składanie komputerów o różnych możliwościach ze stosunkowo niewielkiej liczby układów scalonych łączonych w różnych konfiguracjach.
Niektóre geny ewoluują przez duplikację i tasowanie eksonów
       Istnieje interesująca hipoteza dotycząca zestawiania nowych genów na drodze powtarzania i tasowania eksonów. Mówi o tym, że w trakcie ewolucji rearanżacje DNA zachodzą w intronach, co powoduje łączenie się nietkniętych eksonów w nowe kombinacje. Oznaczałoby to, że introny są bardzo dawnymi strukturami i że występowały już w najwcześniejszych genach. Jedną z konsekwencji przyjęcia tej hipotezy jest uznanie, że w czasie ewolucji prokariontów z ich genomów zniknęły introny. Natomiast hipoteza przeciwna utrzymuje, że introny są wstawkami wprowadzonymi do istniejących już regionów kodujących, dzięki mechanizmowi, który działa wydajnie tylko u eukariontów (ale nie u prokariontów). Koncepcja pierwotnych intronów unika wielu problemów modelu insercyjnego. Po pierwsze, losowe insercje odcinków nie kodujących do kodujących zwykle mają poważne konsekwencje mutacyjne. Po drugie, jeśli introny miałyby się pojawić w późniejszym okresie ewolucji, równocześnie musiałby powstać złożony i precyzyjny mechanizm splicingu. Jeśli natomiast introny były obecne już w najdawniejszych genomach, to i składanie RNA musi być procesem bardzo starym. Za tą hipotezą przemawia wykrycie takich intronów, które katalizują swoje własne wycinanie z genomu (splicing) bez pomocy enzymów lub innych białek. Jest jednak możliwe, że niektóre introny zostały wprowadzone do genów w wyniku insercji; obie hipotezy nie wykluczają się wzajemnie.
       Jak wykazała molekularna analiza sekwencji DNA, procesy takie jak powielanie się genów oraz duplikacja czy tasowanie eksonów nie należały do rzadkich czy wyjątkowych czynników ewolucji genomów. Dzieje dużych obszarów eukariotycznego DNA, zarówno jego odcinków kodujących, jak i nie kodujących, są odzwierciedleniem tych procesów. Struktura współczesnych genomów jest świadectwem dawnych procesów, które miały – i prawdopodobnie nadal mają – znaczący wpływ na ewolucję. Dzięki nim organizmy zyskiwały różne, nieraz korzystne właściwości – a jeśli dawały one osobnikowi choćby niewielką przewagę w określonym środowisku, dana cecha mogła z powodzeniem rozpowszechnić się w następnych pokoleniach. Proces ten nazywamy doborem naturalnym. Rozpowszechnienie nowych cech spowodowanych pojawieniem się nowych alleli mogło doprowadzić do izolacji reprodukcyjnej grupy osobników niosących nowe allele, a następnie do powstania nowego gatunku. Genetyka molekularna rzuca światło na zmienność genetyczną, która jest surowcem ewolucji. Zmienność ta wynika nie tylko z małych zmian w DNA, klasycznego określenia mutacji, ale również z mnóstwa operacji, które modelują geny i genomy.
góra strony
poprzedni esej następny esej
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach