Ohranjena zaporedja v genomih — funkcija, mehanizmi in evolucija
Odkrijte vlogo ohranjenih zaporedij v genomih: funkcija, evolucijski pomen in mehanizmi, ki ohranjajo ključne gene skozi vrste.
Ohranjena zaporedja so podobna ali enaka zaporedja, ki se pojavljajo v DNK, ter zaporedja v RNK, beljakovinah in ogljikovih hidratih.
Ta zaporedja se pojavljajo pri različnih vrstah. To kaže, da so se zaporedja ohranila v evoluciji kljub speciaciji. Bolj ko je določeno ohranjeno zaporedje v filogenetskem drevesu, bolj je ohranjeno. Ker se informacije o zaporedju običajno prenašajo s staršev na potomce z geni, ohranjeno zaporedje pomeni, da obstaja ohranjen gen.
Do ohranitve zaporedja pride, ko mutacije v zelo ohranjenem območju privedejo do neživljenjskih oblik življenja, tj. oblik, ki se izločijo z naravnim izborom. Z drugimi besedami, produkt gena je življenjsko pomemben za življenje, njegovo funkcijo pa uničijo skoraj vse spremembe (mutacije) zaporedja.
Kaj pomeni ohranjenost in zakaj je pomembna
Ohranjenost pomeni, da se je določeno zaporedje ohranilo skozi evolucijo pri različnih vrstah. To je močen znak, da ima zaporedje funkcijo, ki prispeva k prebivanju ali razmnoževanju organizma. Ohranjena zaporedja so zato pogosto tarče pri iskanju funkcionalnih elementov v genomu — od proteinov in encimov do regulativnih elementov, kot so promotorji in enhancerji.
Vrste ohranjenih zaporedij in primeri
- Kodirajoča zaporedja: eksoni genov, ki kodirajo beljakovine; primer so visoko ohranjeni geni za ribosomalne beljakovine ali HOX-transkripcijske faktorje.
- Nekodirajoča funkcionalna zaporedja: regulatorni elementi (promotorji, enhancerji), miRNA in druga kratka nezaznavna RNA; številni enhancerji, ki regulirajo razvoj, so močno ohranjeni med vretenčarji.
- Strukturna RNA: rRNA in tRNA imata močno ohranjene strukture zaradi potrebe po ohranjanju sekundarnih in terciarnih struktur.
- Ultrahoja ohranjena zaporedja: nekatera območja v genomu (v človeku) so skoraj nespremenjena med različnimi vretenčarji; ta področja so bila poimenovana ultraconserved elements in pogosto vsebujejo pomembne regulativne funkcije.
Mehanizmi, ki ohranjajo zaporedja
Glavni evolucijski mehanizem ohranitve je purifying (negativna) selekcija, kjer so mutacije, ki zmanjšajo funkcijo, odstranjen iz populacije. Druge pomembne točke:
- V primeru beljakovin so ohranjeni ostanki, ki so ključni za katalizo, vezavo ligandov ali strukturno stabilnost.
- Pri RNA elementi pogosto veljajo selekcijske zahteve na sekundarno strukturo; tu so možne kompenzatorne mutacije, kjer sprememba na enem mestu spremlja spremembo na drugem, da se ohrani struktura.
- Konservacija regulativnih motivov ohranja vezavna mesta za transkripcijske faktorje in druge proteine.
- Konservacija ni vedno posledica neposredne funkcije zapisa: na primer GC-biased gene conversion lahko povzroči ohranjanje specifičnih nukleotidnih sestav brez klasične selekcije.
Evolucijski pomen, ortologi in paralogi
Ohranjena zaporedja pomagajo prepoznati ortologe — gene v različnih vrstah, ki izvirajo iz skupnega prednika in pogosto ohranjajo isto funkcijo. Nasprotno paralogi nastanejo z duplikacijami genov in se lahko divergirajo v funkciji. Stopnja ohranitve je odvisna od filogenetske razdalje: nekateri elementi so ohranjeni le znotraj sorodnih vrst, drugi pa preko širokih skupin življenja.
Kako se ohranjena zaporedja prepoznavajo
Uporabljajo se primerjalne metode in orodja:
- Enostavne poravnave (BLAST) in večkratne poravnave za iskanje konzerviranih regij.
- Statistični indeksi in metode, kot so PhastCons, PhyloP in GERP, ocenjujejo stopnjo ohranjenosti glede na nevtralno pričakovanje.
- Genomske anotacije in eksperimentalni podatki (ChIP-seq, DNase-seq, RNA-seq) pomagajo povezati ohranjene regije s funkcijo (na primer vezavna mesta ali izražanje).
Uporabe v biomedicini in genomiki
- Pomoč pri odkrivanju funkcionalnih elementov v genomih in priženju genomskih regij.
- Predvidevanje patogenih mutacij: mutacije v močno ohranjenih mestih so bolj verjetno škodljive in se uporabljajo v diagnostičnih ocenah variant.
- V primerjalni genomiki ohranjenost osvetli evolucijske poti razvojnih genov in konserviranih mrež regulacije.
- Pri oblikovanju ciljnih pristopov (npr. CRISPR) se izogibamo zelo ohranjenim regijam, če želimo zmanjšati neželene posledice.
Omejitve in previdnost
Pomembno je vedeti, da ohranjeno zaporedje ni absolutna garancija delujoče funkcije, prav tako pa ne ohranjeno zaporedje ne pomeni nujno neuporabnosti. Nekateri funkcionalni elementi hitro evolvirajo (npr. linijsko specifični regulatorji), medtem ko so nekatera ohranjena območja lahko posledica drugih procesov (npr. mutacijske dinamike ali genomske strukture). Poleg tega lahko synonymne mesto (brez spremembe aminoskupa) nosijo selekcijo zaradi vpliva na spajanje ali bogastvo kodonov.
Povzetek
Ohranjena zaporedja so ključni kazalci funkcije v genomu in nastanejo predvsem zaradi purifying selekcije, ki odstranjuje škodljive mutacije. Prepoznavanje teh zaporedij s primerjalnimi pristopi in eksperimentalnimi podatki omogoča razumevanje genetskih funkcij, evolucije in pomaga pri interpretaciji genskih variant v medicini. Vendar je interpretacija ohranitve vedno treba izvajati previdno in v kontekstu dodatnih bioloških dokazov.
V zeleni barvi so označeni ostanki, ki se ohranjajo med različnimi receptorji, vezanimi na beljakovine G.
Konzervirana zaporedja nukleinskih kislin
Osnovna teorija, ki je splošno sprejeta, je, da morajo imeti zelo ohranjena zaporedja DNK funkcionalno vrednost, čeprav vloga mnogih od teh zelo ohranjenih nekodirajočih zaporedij DNK ni znana. Nedavna študija, v kateri so pri miših izločili štiri zelo ohranjena nekodirajoča zaporedja DNK, je dala živeče miši brez pomembnih fenotipskih razlik; avtorji so svoje ugotovitve opisali kot "nepričakovane". Torej je očitno, da je tu nekaj, česar ne razumemo.
Številne regije DNK, vključno z zelo ohranjenimi zaporedji DNK, so sestavljene iz ponavljajočih se zaporednih elementov. Če bi odstranili samo enega od niza ponavljajočih se zaporedij in ponovitve ne bi bile potrebne, potem pri miših ne bi opazili nobene razlike. V članku ni bilo navedeno, ali so bila odstranjena zaporedja ponavljajoča se zaporedja.
Ohranjena proteinska zaporedja in strukture
Za delovanje ali delitev celic so pogosto potrebne zelo ohranjene beljakovine. Ohranjenost proteinskih zaporedij se kaže v prisotnosti enakih aminokislinskih ostankov na analognih delih proteinov. Ohranjenost proteinskih struktur se kaže v prisotnosti funkcionalno enakovrednih, čeprav ne nujno enakih aminokislinskih ostankov in struktur med analognimi deli proteinov.
Spodaj je prikazana poravnava aminokislinskega zaporedja med dvema človeškima proteinoma cink-prstov. Ohranjena aminokislinska zaporedja so označena z nizom ∗ {\displaystyle \mathrm {*} }
v tretji vrstici poravnave zaporedij. Kot je razvidno iz te poravnave, ta dva proteina vsebujeta številna ohranjena aminokislinska zaporedja (označena z enakimi črkami, poravnanimi med zaporedji).
Primerjalna genomika
Raziskovalno področje, ki preučuje evolucijo in delovanje večgenskih družin, se imenuje primerjalna genomika.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so ohranjena zaporedja?
O: Ohranjena zaporedja so podobna ali enaka zaporedja, ki se pojavljajo v DNK in povzročajo zaporedja v RNK, beljakovinah in ogljikovih hidratih. Ta zaporedja se pojavljajo pri različnih vrstah, kar kaže na to, da so se v evoluciji ohranila kljub speciaciji.
V: Kaj pomeni, če se ohranjeno zaporedje pojavi višje v filogenetskem drevesu?
O: Če se ohranjeno zaporedje pojavlja višje na filogenetskem drevesu, je bolj ohranjeno. To pomeni, da je ostalo večinoma nespremenjeno dlje časa.
V: Kaj pomeni ohranjeno zaporedje o genu, ki ga predstavlja?
O: Ohranjeno zaporedje pomeni, da obstaja ohranjen gen. To je zato, ker se informacije o zaporedju običajno prenašajo s staršev na potomce z geni.
V: Kdaj se zaporedje ohrani?
O: Do ohranitve zaporedja pride, kadar mutacije v zelo ohranjenem območju povzročijo neživljenjske oblike življenja. Z drugimi besedami, produkt gena je življenjsko pomemben za življenje, njegovo funkcijo pa uničijo skoraj vse spremembe (mutacije) zaporedja.
V: Zakaj so ohranjena zaporedja pomembna?
O: Ohranjena zaporedja so pomembna, ker dokazujejo evolucijske odnose med organizmi. Prav tako nakazujejo, da so geni, vključeni v ta zaporedja, bistveni za življenje.
V: Kako se ohranjena zaporedja prenašajo iz generacije v generacijo?
O: Ohranjena zaporedja se običajno prenašajo iz generacije v generacijo z geni. To pomeni, da se dedujejo od staršev na potomce prek DNK.
V: Ali vse mutacije v ohranjenih zaporedjih vodijo do neživljenjskih oblik življenja?
O: Da, skoraj vse mutacije v zelo ohranjenih območjih vodijo do neživljenjskih oblik življenja, ker je produkt gena bistvenega pomena za življenje in skoraj vse spremembe zaporedja uničijo njegovo funkcijo.
Iskati