새로운 유전자의 진화는 종종 종에서 새로운 특성의 출현과 함께 진행됩니다. 진화론 생물학의 위대한 수수께끼 중 하나는 항상 유전 적 참신이 어떻게 생겼는지에 대한 것입니다.
지난 반세기 이상 동안, 대부분의 생물 학자들은 유전 학자 Susumu Ohno의 결론에 동의했다. . 그는 첫 번째 유전자가 어딘가에서 나와야한다는 것을 인정하면서 다음과 같이 썼다. . 각각의 새로운 유전자는 기존 유전자에서 발생했을 것입니다…”
이 설명은 진정으로 de novo 이기 때문에 건전한 것처럼 보였다 유전자는 유전자 사이의 풍부한 "비 제닉"DNA (종종 정크로 무시 된)에 작용하는 진화를 통해 나타나야 할 것이다. 그것이 어떻게 일어날 수 있는지 상상하기가 어려웠습니다. 세포의 적합성은 일반적으로 수백만 년에 걸쳐 함께 작동하도록 공동으로 진압 된 유전자 네트워크의 원활한 기능에 달려 있습니다. 다른 유전자로부터 유래 된 유전자는 이들 네트워크에 혼합 될 가능성이 더 높다. 이에 비해 Nascent de novo 의 상당히 임의의 사본 유전자는 마치 기껏해야 세포의 전망에 해당되는 것처럼 보이고, 중요하지 않으며 더 유해한 것처럼 보입니다. Trinity College Dublin의 유전 학자 인 Aoife McLysaght는“무작위 시퀀스가 더 나은 것보다 물건을 엉망으로 만들 가능성이 높다는 것입니다.
그러나 지난 15 년 동안 de novo 에 대한 증거 유전자는 꾸준히 축적되어 토론이 de novo 에서 바뀌 었습니다. 유전자는 진화와 적응에 얼마나 많은 기여를하는지에 존재합니다.
McLysaght와 다른 연구자들의 최근 실험은 de novo 의 빈도를 정량화하기 시작했습니다. 유전자는 광범위한 유기체에서 발생합니다. 그들의 추정치는 다양하지만 답은 젊거나 소설로 알려진 많은 유전자에 대해 de novo 메커니즘은 적어도 대안과 거의 동등한 것으로 보입니다.
de novo 유전자는“유전자의 기원에 대한 연구를 수행하고있는 하버드 대학교의 생물 물리학 박사 과학 학생 인 캐롤라인 와이 스만 (Caroline Weisman)은“유전자는 전례가 없거나 전례가없는 종류의 유전자 참신을 나타냅니다. "이것은 참신과 같은 것들이 어떻게 진화하는지에 대해 생각하는 진화론 생물 학자들에게 정말 흥미로운 가능성입니다."
고아가되는 많은 방법
모든 종의 대부분의 유전자는 적어도 하나의 다른 종에서도 발견 될 수 있습니다. 유전자는 각각의 사례에서 약간 다른 서열을 가질 수 있지만, 그들은 일반적으로 진화를 통해 인식 할 수있는 관련성이 높을 정도로 보인다. 임의의 돌연변이는 시간이 지남에 따라 서열이 분기되지만 상 동성 유전자 (또는 상 동체)는 여전히 유사성에 의해 가족으로 분류 될 수 있습니다. 예를 들어, 인간과 다른 포유류에서 발견되는 약간 다른 헤모글로빈 분자에 대한 유전자는 한 가족에 속합니다.
Ohno는 발산 메커니즘이 새로운 기능을 가진 유전자가 어떻게 생겼는지 설명 할 수 있다는 이론을 도입했습니다. 그의 작품에서, 그는 새로운 유전자가 오래된 유전자의 복제를 통해 태어날 수 있음을 보여 주었고, 두 상 동체가 기능과 서열이 분기되는 돌연변이가 뒤 따른다는 것을 보여 주었다.
.그러나 전체 게놈이 더 많이 이용 가능 해지고 연구원들이 정보를 얻기 위해 그들을 our었을 때, 조각들은 퍼즐에서 빠진 것으로 보였다. 일부 유전자는 어떤 가족도 속하지 않은 것 같습니다. 이 "고아 유전자"는 특정 계보에 구체적으로 나타나며 명백한 조상이나 사촌이 없었습니다. 그런 다음이 고아 유전자가 어떻게되었는지에 중점을 두었습니다.
기본 가정은 인식을 넘어서는 오후의 메커니즘이 극단적 인 메커니즘이라고 생각했다. 고아 유전자 서열은 너무 빨리 진화했거나 오랫동안 가족의 유사점을 잃어 버릴 수 있습니다.
다른 설명은 가능했지만 McLysaght에 따르면 가능성이 낮은 것처럼 보였다. 고아 유전자는 예를 들어 박테리아 또는 바이러스로부터 전체 또는 부분 유전자의 수평 전이를 통해 계보로 들어갈 수 있지만 복잡한 유기체에서 확인 된 고아 중 일부는 마치 박테리아에서 나올 수있는 것처럼 보였다. 이론적으로, 다른 계보의 모든 상 동체가 우연히 진화를 통해 사라지면 유전자가 고아 될 수도 있지만, 그 일은 일상적인 설명이 될 수없는 것처럼 보였다. 그리고 de novo 가있었습니다 가능성이 있지만 그 자체의 장애물이 있습니다.
그럼에도 불구하고 연구자들은 마치 진화 한 것처럼 설득력있게 보이는 고아 유전자를 계속 발견했습니다. . 예를 들어, 2006 년과 2007 년에 Davis 캘리포니아 대학교에서 시작한 유전 학자 David는 비전기 서열에서 진화 한 과일 파리의 고환에서 유전자를 확인했습니다. 점차적으로,이 질문은 de novo 의 여부에서 바뀌었다 유전자는 그들이 얼마나 흔한 지에 존재했습니다.
지난 10 년 동안 연구자들은 de novo 의 상대적 중요성에 대해 적극적으로 주장했습니다. 인식 이외의 유전자 생성 및 발산. 그러나 고아 유전자를보고 그들이 어떻게 일어 났는지 결정하는 쉬운 방법은 여전히 없었습니다. “어떤 의미에서, 당신이 얼마나 많은 사람들이 진짜 [ de novo 인지 알 수 없기 때문에 필드는 그에 의해 방해를 받았습니다. 유전자], 그리고이 현상의 중요성은 무엇입니까? 그렇다면 당신은 약간 붙어 있습니다.”McLysaght는 이라고 말했습니다.
위치, 위치, 위치
그 토론에 대해 명확성을 높이기 위해 McLysaght와 그녀의 전 박사후 박사 학위 동료 Nikolaos Vakirlis (현재 그리스의 Alexander Fleming Biomedical Sciences Research Center)와 함께 피츠버그 대학의 공동 작업자 Anne-Ruxandra Carvunis와 함께, Yours와 인간의 유명한 유전자를 설명 할 수있게되었으며, 이는 피츠르그 대학의 공동 작업자 Anne-Ruxandra Carvunis가 피츠버그 대학의 공동 작업자 인 Anne-Ruxandra Carvunis를 묘사 할 수있었습니다. 발산.
그들은 elife 의 논문에 설명 된 것처럼 그 분석에 대한 새로운 접근 방식을 취했습니다. 2 월. 과학자들은 일반적으로 뉴클레오티드 서열 (또는 그들이 암호화하는 단백질의 아미노산 서열)을 비교하여 유전자가 상 동성인지 여부를 확인한다. McLysaght의 팀은 이웃에 비해 각 유전자의 위치를 대신하여 유전 학자들이 유전자의 신약이라고 부르는 속성을 보았습니다.
McLysaght는 그들의 접근 방식을 설명하기 위해이 비유를 제공했습니다. 주문한 카드 데크로 시작하여 가볍게 셔플한다고 가정하십시오. 갑판 꼭대기에서 처음 두 장의 카드는 클럽의 9와 10입니다. 세 번째 카드를 아래로 향하게합니다. 네 번째와 다섯 번째 카드는 클럽의 여왕과 왕입니다. 숨겨진 카드가 클럽의 잭이라는 합리적인 확신을 가지고 추측 할 수 있습니다. 왜냐하면 중간 카드 만 혼란스러워하는 것보다 완전한 시퀀스가 살아남 았을 가능성이 좋기 때문입니다.
유사하게, 염색체에서 이웃 유전자의 순서는 대부분 진화를 통해 보존된다. 염색체 조각은 크게 의존하지만, 셔플 된 블록 내에서 유전자의 배열은 그대로 유지되는 경향이 있습니다. 연구자들은 유전자의 이웃이 다른 종에서 같은 순서로 나타나면 유전자가 다른 종의 샌드위치에 해당 할 가능성이 있다고 보수적으로 가정했습니다. 서열이 일치하지 않더라도
.Synteny 방법을 사용하여 연구원들은 파리, 효모 및 인간의 고아 유전자의 최대 3 분의 1이 인식을 넘어서는 발산으로 설명 될 수 있다고 추정했습니다. “나머지는 다른 방법으로 설명해야하며 de novo 원산지는 이것을 설명하는 가장 좋은 방법입니다.”McLysaght가 말했습니다.
분기 속도
Weisman과 그녀의 하버드 어드바이저 앤드류 머레이 (Andrew Murray)와 션 에디 (Sean Eddy)는 최근 biorxiv.org 서버의 사전 인쇄에서 설명한 작업에서 동일한 문제를 해결하고 동료 검토를 위해 저널에 제출했습니다. "여기서 모든 질문은 유기체 나 일부 그룹 외부에서 상 동체를 감지 할 수 없다면 상 동성이 있고, 감지 할 수 없거나 상동체가 없기 때문에?" Weisman이 말했다.
알아 내기 위해, 그녀는 관련 효모 종 그룹을 보았고 Drosophila 과일 플라이 종은 유전자 패밀리 내에 돌연변이가 축적 된 속도를 추정했습니다. 그런 다음 한 종의 유전자에 대한 상 동체가 먼 관련 종에서도 감지 될 수 있는지 통계적으로 결정할 수있었습니다. 그녀는“유전자가 고아처럼 보이는 결과가 정상적으로 진화하는 유전자를 통해 완전히 설명 할 수 있고 검색 소프트웨어가 전능하지 않은 경우를 식별 할 수있었습니다.
.Weisman 은이 효모에서 고아 유전자의 55%에서 73% 사이의 대다수 (대다수)가 발산에 의해 설명되었다고 추정했다. 이 수치는 McLysaght의 Synteny 접근법보다 높습니다. 그럼에도 불구하고 Weisman에게는 그녀의 방법과 McLysaght의 근본적으로 다른 하나가 결론에“이 유전자들의 결정적으로 불쾌한 수가있을 것”이라는 결론에 수렴했다는 것을 안심시키고 있습니다. 그녀는 다음과 같이 덧붙였습니다.“30% 또는 50% 또는 80%이더라도 슬라이스하는 방식은 분명히 공부하고 싶은 사람들에게는 분명히 문제입니다. 유전자] 고아 유전자를 연구함으로써.”
Weisman 's 또는 McLysaght의 연구에 관여하지 않은 Rockefeller University의 유전 학자 인 Li Zhao는 두 논문이 고아 유전자의 기원에 대한 대략 같은 결론에 도달한다는 데 동의하지만, 다른 하나는 de novo 유전자의 풍부함과 다른 하나는 발산으로부터의 풍부함을 강조한다는 데 동의합니다. "한 용지는이 유리가 절반으로 가득 차 있고 다른 용지는 그것을 반으로 묘사하고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
고아 유전자에 대한 기원의 혼합물을 감안할 때 Zhao는 계속해서 De Novo를 연구하는 좋은 방법은 매우 어린 아이들에게 집중하는 것일 수 있습니다. de novo 인 경우 유전자는 최근에 시작되었으며, 그것이 진화 한 다른 종에서 상응하는 비전기 서열을 확인하는 것이 여전히 가능해야한다고 그녀는 설명했다. 그것은 고아 유전자가 진정으로 de novo라는 증거 역할을 할 것입니다. .
기능이 어떻게 나타나는지
이것에 대한 좋은 예는 2019 년 Young de novo 에 대한 연구입니다. 야생 아시아 쌀의 유전자 ( oryza ) 1990 년대 초부터 새로운 유전자에 대한 연구를 개척 한 시카고 대학의 유전 학자 인 Manyuan Long이 이끄는. Long과 그의 동료들은 de novo 을 시작한 약 175 개의 유전자를 확인했습니다. 지난 340 만 년 내에; 그들은 이들 유전자가 de novo라고 말할 수있다 상응하는 비 제닉 서열은 여전히 밀접하게 관련된 종에서 인식 할 수 있기 때문에. 이 de novo 유전자는 생물학적으로 활성화 된 것으로 보였습니다. 즉, RNA로 전사되어 펩티드 사슬로 번역되었으며, 대부분은 자연 선택에 의해 형성되는 징후를 보였습니다.
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Long의 연구는 de novo 을 확인했습니다 유전자는 비교적 풍부하고 기능적으로 중요했습니다. 그러나 그것은 비전기 서열이 어떻게 기능적 유전자가 될 수 있는지에 대한 의문을 제기했다. 한 가지 가능한 대답은 Carvunis와 그녀의 동료들이 2012 년 자연 에 제시 한“프로토 gene”가설입니다. 논문 :초기 유전자는 처음에는 아무것도하지 않는 RNA 및 단백질 생성물로 만든 DNA의 스트레치로 시작할 수 있습니다. 그러나 올바른 환경 조건 하에서,이 프로토-유전자는 몇 가지 장점을 제공 할 수 있으므로 선정 된 상태에서 진화하기 시작할 수 있습니다.
Carvunis, Vakirlis, McLysaght 및 동료들은 자연 커뮤니케이션 에서 그 아이디어를 실험적으로 테스트했습니다. 2 월에 나타난 종이. 첫째, 그들은 진화 적으로 젊고 적극적으로 전사되었지만 기능성 단백질을 만들지 않음으로써 원자력의 정의에 맞는 것처럼 보이는 효모에서 DNA 서열을 계산적으로 식별 하였다. 그런 다음 그들은이 서열이 삭제되거나 과발현 될 때 효모의 체력에 무슨 일이 있었는지 보았습니다.
이러한 프로토-유전자 서열을 삭제하는 것은 해로운 것처럼 보이지 않았습니다. 그들은 효모의 복지에 기여하지 않았기 때문에 의미가있었습니다. 그러나 연구원들의 놀랍게도, 프로토 유전자 서열의 약 10%가 과발현되었을 때, 그들은 효모 식민지의 성장을 향상시켰다. 실제로, 이들 프로토-유전자 서열을 과발현하는 것은 확립 된 기능성 유전자를 과발현하는 것보다 더 종종 유익했다 (진화는 아마도 이미 그들에 대한 최적의 발현 수준을 설정했다). McLysaght는“우리는 이러한 다소 임의의 시퀀스가 피트니스에 추가 할 가능성을 갖게 될 것이라고 반드시 기대하지는 않았다.
Vakirlis에 따르면, 이러한 결과는 원자력이 높은 적응 전위를 가지고 있음을 시사합니다. 그 효과는 잘 정의되지 않을 수 있지만 여러 가지 방법으로 셀에 기여할 수 있습니다. 그 잠재력은 서열이 기능성 유전자로 시퀀스를 개선하면 시간이 지남에 따라 탐구 할 수있는 것입니다.
Carvunis는“우리는 새로운 시퀀스가 적응력이있을 수 있음을 보여줍니다.
연구원들은 또한 유익한 프로토-유전자 서열이 공통적 인 것을 가졌다는 것을 관찰했다. 그들로부터 번역 된 단백질 생성물은 일반적으로 세포 또는 소기관의 막에 자리 잡을 수있는 도메인을 가질 것이다. 연구원들은 이제 단백질이 어떻게 세포에 중요한 일을 할 수있는 기회를 증가시킬 수 있는지 조사하고 있습니다.
.그들의 연구는 신흥 de novo 의 적응 잠재력을 보여 주었지만 유전자, de novo 의 실제 기여 McLysaght는 적응에 대한 유전자가 항상“미스터리에서 다소 숨겨져있을 수있다”고 말했다. 돌연변이가 de novo 에 축적 될 때 유전자, 그들이 온 비정기 서열을 식별하기가 더 어려워집니다. 불확실한 마감일을 지나서, 오래된 유전자가 생겨났다는 것을 증명하는 것은 항상 불가능할 수 있습니다. . de novo 의 실제 수를 고정합니다 유전자와 대부분의 복잡한 유기체에서 새로운 적응에 대한 그들의 기여는 다루기 어려운 문제 일 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 오랫동안 고아 유전자는 기원에 관계없이 조사 할 가치가 있다고 강조했습니다. Weisman은 진화의 최근 시점에서 발산이 갑자기 가속화 된 유전자에 대해 특히 사실 일 수 있다고 생각합니다. 새로운 생물학적 기능이 어떻게 진화하는지에 대해 우리에게 말할 수있을 것입니다.
.고아 유전자의 생성을 위해“우리는 다양한 메커니즘이 있다는 것을 알고 있습니다.”라고 시작했습니다. 그러나“특정 생물학적 과정이 더 많은 이유에 대한 지침 원칙 유전자 진화, 다른 사람들은 더 많은 복제와 발산을 가질 수 있습니다. 우리는 아직 아직 그립이 없습니다.”
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Vakirlis는 여전히 몇 개의 질문을 해결 해야하는지에 대해 동의했습니다. “이 분야에서 de novo 이라는 사실 이외의 다른 것이 있다고 생각하지 않습니다. 유전자는 실제적이며 널리 퍼져있는 것처럼 보이며, 그들이 묻는 사람에 따라 얼마나 널리 퍼져 있을지에 따라 다를 것입니다. 우리가 한 해마다 점점 더 많이 배우는 것은 매우 역동적 인 상황입니다.”라고 그는 말했다.
