Introduksjon
Alle dyr, planter, sopp og protister - som til sammen utgjør livets domene kalt eukaryoter - har genomer med en særegen egenskap som har forundret forskere i nesten et halvt århundre: Genene deres er fragmenterte.
I deres DNA er informasjonen om hvordan man lager proteiner ikke lagt ut i lange sammenhengende strenger av baser. I stedet deles gener i segmenter, med mellomliggende sekvenser, eller "introner", som skiller ut eksonene som koder for biter av proteinet. Når eukaryoter uttrykker genene sine, må cellene deres spleise ut RNA fra intronene og sy sammen RNA fra eksonene for å rekonstruere oppskriftene for proteinene deres.
Mysteriet om hvorfor eukaryoter stoler på dette barokke systemet ble dypere med oppdagelsen av at de forskjellige grenene til det eukaryote slektstreet varierte mye i mengden av deres introner. Genene til gjær, for eksempel, har svært få introner, men de til landplanter har mange. Introner utgjør nesten 25 % av menneskets DNA. Hvordan denne enorme, gåtefulle variasjonen i intronfrekvens utviklet seg har skapt debatt blant forskere i flere tiår.
Svarene kan imidlertid endelig dukke opp fra nyere studier av genetiske elementer kalt intronere som noen forskere anser som en slags genomisk parasitt. Disse bitene av DNA kan skli inn i genomer og formere seg der, og etterlate overflod av introner bak seg. I november i fjor presenterte forskere bevis på at intronere har gjort dette i forskjellige eukaryoter gjennom evolusjonen. Dessuten viste de at intronere kunne forklare hvorfor eksplosive gevinster i introner ser ut til å ha vært spesielt vanlig i akvatiske livsformer.
Funnene deres "kan forklare det store flertallet av intronforsterkning," sa Russ Corbett-Detig, seniorforfatter av den nye artikkelen og en evolusjonær genomikkforsker ved University of California, Santa Cruz.
Puslespillet til eukaryote genomer
På grunn av intronene som prikker deres DNA, hvis genene til eukaryoter ble oversatt direkte til proteiner, ville de resulterende molekylene typisk være ikke-funksjonelt søppel. Av den grunn er alle eukaryote celler utstyrt med spesielle genetiske sakser kalt spleisosomer. Disse proteinkompleksene gjenkjenner de særegne sekvensene som flankerer intron-RNA og fjerner det fra de foreløpige RNA-transkriptene til aktive gener. Deretter spleiser de sammen de kodende segmentene fra eksoner for å produsere messenger-RNA som kan oversettes til et fungerende protein.
(Noen få prokaryoter har også introner, men de har måter å jobbe rundt dem på som ikke involverer spleiseosomer. For eksempel er noen av deres introner "selv-spleisende" og fjerner seg automatisk fra RNA.)
Hvorfor naturlig utvalg i eukaryoter favoriserte introner som måtte fjernes av spleisosomer er ukjent. Men nøkkelen kan være at slike introner tillater alternativ spleising, et fenomen som dramatisk øker mangfoldet av produkter som kan oppstå fra et enkelt gen. Når intron-RNA er klippet ut, kan ekson-RNA-sekvensene settes sammen i en ny rekkefølge for å lage litt forskjellige proteiner, forklarte Corbett-Detig.
Til tross for påvirkningen fra introner på biologien og den genetiske kompleksiteten til eukaryote organismer, har deres evolusjonære opprinnelse forblitt uklar. Siden oppdagelsen av introner i 1977 har forskere utviklet en rekke teorier om hvor disse påtrengende sekvensene kom fra. Flere mekanismer som kan skape introner er identifisert, og alle kan ha bidratt med noen introner til eukaryoter. Men det har vært vanskelig å si hvilken om noen av dem som kan forklare hvor flertallet av intronene kom fra.
Dessuten blir mysteriet rundt opprinnelsen til introner bare dypere i lys av den ekstreme variasjonen i hvor introner har en tendens til å dukke opp gjennom livets eukaryote tre. Noen avstamninger er spesielt tunge med dem på måter som peker på plutselige oversvømmelser med introner i løpet av deres evolusjonshistorie. Når du undersøker livets tre og hvor mange introner som finnes på hver spiss av treet, sa Corbett-Detig, "du kan ganske raskt finne ut at det må være visse grener der et absolutt tonn med introner utviklet seg på en gang."
En mulig forklaring på de eksplosive infusjonene av introner involverer en uvanlig type genetisk element kjent som en introner. Først beskrevet i 2009 i de encellede grønnalgene Micromonas, har intronere senere dukket opp i genomene til noen andre alger, noen sopparter, små marine organismer kalt dinoflagellater og enkle virvelløse dyr kalt tunikater.
Det særegne til intronere er at de lager introner. Intronere kopierer og limer seg inn i strekninger med kodende DNA som tilbyr et passende spleisested. Deretter går de videre, og etterlater seg en spesifikk intronsekvens flankert av spleisesteder, som deler det kodende DNA-et i to eksoner. Denne prosessen kan gjentas i massiv skala gjennom et genom. I sopp, for eksempel, ser det ut til at intronere står for det meste av introngevinsten i løpet av minst de siste 100,000 XNUMX årene.
Introduksjon
Hvordan intronere oppnår dette ble tydeligere i 2016, da forskere fant ut at intronere i to algearter hadde sterke likheter med DNA-transposoner, medlemmer av en større familie av genetiske elementer kalt transponerbare elementer eller "hoppende gener." Transposoner setter også inn et stort antall kopier av seg selv i genomene.
Parallellene mellom intronere og transposoner antydet sterkt et mulig svar på mysteriet om hvor de fleste introner kom fra. Intronere kan få introner til å bryte ut i genomer i stort antall, noe som kan forklare det punkterte mønsteret av deres fremvekst i forskjellige eukaryoter. Fangsten var at intronere bare var kjent for å eksistere i noen få organismer.
«Set noen andre steder?'» spurte Landen Gozashti, som forsket på evolusjonær genomikk ved Santa Cruz da han leste algestudien fra 2016. En titt på den vitenskapelige litteraturen viste at ingen grupper hadde publisert noen data om intronere andre steder blant eukaryotene. Gozashti, nå ved Harvard University, satte Corbett-Detig og deres kollegaer ut for å bøte på det.
Stealthy, rikelig inntrengere
Teamet skannet systematisk mer enn 3,300 genomer fra hele bredden av eukaryotisk mangfold - alt fra sauer til sequoiaer til ciliate protister. De brukte en serie beregningsfiltre for å identifisere potensielle intronere, og lette etter introner med svært like sekvenser og fjernet falske positiver. Til slutt fant de tusenvis av introner avledet fra intronere i 175 av disse genomene, omtrent 5 % av totalen, fra 48 forskjellige arter.
Fem prosent kan virke som en liten bit av den eukaryote kaken. Men ettersom mutasjoner akkumuleres i intronere over tid, blir sekvenslikhetene mellom kopiene dårligere til det ikke lenger er mulig å fortelle at de kom fra samme kilde. De evolusjonære linjene til mange arter som lever i dag kan ha opplevd flom av introner, men enhver tilstrømning som skjedde for mer enn noen få millioner år siden ville være uoppdagelig. Resultatet på 5 % antyder derfor at intronere kan være langt mer allestedsnærværende.
Som genomiske parasitter kan intronere ha oppnådd sin suksess gjennom stealth. En god parasitt kan ikke trekke for mye oppmerksomhet til seg selv. Hvis en introner forstyrrer aktiviteten til genet den har innebygd seg i, kan det skade vertsorganismen, og naturlig seleksjon kan fjerne den genomiske parasitten helt. Så disse elementene utvikler seg kontinuerlig for å være "så nøytrale som mulig" i sin innflytelse, sa Valentina Peona, en komparativ genomiker ved Uppsala universitet.
Gozashti, Corbett-Detig og deres kolleger fant ut hvor flinke intronere er til å skli under radaren da de estimerte spleiseeffektiviteten til intronere, noe som gjenspeiler deres evne til å unngå å forstyrre funksjonen til vertsgener. "Intronere er faktisk skjøtet bedre enn andre introner," sa Gozashti. "Disse tingene har blitt veldig gode på det."
En akvatisk forbindelse
Arbeidet til Gozashti og hans kolleger beviste at intronere ikke er fordelt likt blant eukaryoter. For eksempel er det mer enn seks ganger så sannsynlig at intronere vises i genomene til vannlevende organismer som i terrestriske organismer. Dessuten er nesten tre fjerdedeler av genomene fra akvatiske arter som inneholder intronere vert for flere intronerfamilier.
Corbett-Detig, Gozashti og deres kolleger tror dette mønsteret kan forklares ved horisontal genoverføring, overføring av en genetisk sekvens fra en art til en annen. Disse uortodokse genoverføringene har en tendens til å skje i vannmiljøer eller i tilfeller av nær assosiasjon mellom arter, for eksempel mellom verter og parasitter, forklart Saima Shahid, en plantebiolog ved Oklahoma State University.
Vannmiljøer kan evt oppmuntre til horisontal genoverføring fordi det vandige mediet kan bli en suppe av nukleinsyrene som utskilles av utallige arter. Encellede organismer padler rundt i denne lapskausen, så det er lett for dem å ta opp fremmed DNA som kan være inkorporert i deres eget. Men enda mye mer komplekse flercellede arter legger eggene sine eller befrukter dem i vannet, noe som skaper muligheter for at DNA kan overføres til deres avstamninger.
Introduksjon
Clément Gilbert, en evolusjonær genomiker ved Paris-Saclay-universitetet, mener den akvatiske skjevheten hos intronere er et ekko av det hans gruppe fant i horisontale genoverføringshendelser. I 2020 avdekket arbeidet deres nesten 1,000 distinkte horisontale overføringer som involverte transposoner som hadde skjedd i over 300 vertebrat-genomer. De aller fleste av disse overføringene skjedde i teleostfisk, sa Gilbert.
Hvis intronere finner veien inn i verter primært gjennom horisontale genoverføringer i vannmiljøer, kan det forklare de uregelmessige mønstrene for store introngevinster i eukaryoter. Terrestriske organismer vil sannsynligvis ikke ha de samme utbruddene av introner, sa Corbett-Detig, siden horisontal overføring forekommer langt sjeldnere blant dem. De overførte intronene kunne vedvare i genomer i mange millioner år som permanente suvenirer fra et forfedres liv i havet og en skjebnesvanger børste med en behendig genomisk parasitt.
Intronere som fungerer som fremmede, invasive elementer i genomer kan også være forklaringen på hvorfor de ville sette inn introner så plutselig og eksplosivt. Forsvarsmekanismer som et genom kan bruke for å undertrykke sin arvelige byrde av transposoner, fungerer kanskje ikke på et ukjent genetisk element som kommer ved horisontal overføring.
"Nå kan det elementet bli gal over hele genomet," sa Gozashti. Selv om intronerne i utgangspunktet er skadelige, antar forskerne at selektive trykk snart kan temme dem ved å kutte dem ut av RNA.
Selv om horisontal genoverføring og intronere deler en forbindelse til vannmiljøet, viser funnene ennå ikke definitivt at det er her intronerne kommer fra. Men oppdagelsen av introners utbredte innflytelse utfordrer noen teorier om hvordan genomer - spesielt eukaryote genomer - har utviklet seg.
Etterklang i verten
Utbredelsen av nyere introngevinst kan fungere som en motvekt til noen ideer om utviklingen av genomisk kompleksitet. Et eksempel involverer en teori om intronevolusjon utviklet av Michael Lynch ved Arizona State University i 2002. Modeller tyder på at hos arter med små hekkepopulasjoner kan naturlig seleksjon være mindre effektiv til å fjerne unyttige gener. Lynch foreslo at disse artene derfor vil ha en tendens til å bygge opp hauger med ikke-funksjonelt genetisk søppel i genomene deres. Derimot bør ikke arter med veldig store hekkebestander få mange introner i det hele tatt.
Men Gozashti, Corbett-Detig og deres medforfattere fant det motsatte. Noen marine protister med gigantiske avlspopulasjoner hadde hundrevis eller tusenvis av intronere. I kontrast var intronere sjeldne hos dyr og fraværende i landplanter - begge grupper med mye mindre avlspopulasjoner.
Det evolusjonære våpenkappløpet mellom invaderende genetiske elementer og verten kan ha en hånd i å generere et mer komplisert genom. De parasittiske elementene er i "konstant konflikt" med genetiske elementer som tilhører verten, forklarte Gozashti, fordi de konkurrerer om genomisk plass. "Alle disse bevegelige brikkene driver hele tiden hverandre til å utvikle seg," sa han.
Det reiser spørsmålet om hva introngevinstene betydde for den funksjonelle biologien til organismene de oppstod i.
Cedric Feschotte, en molekylærbiolog ved Cornell University, mistenker at det ville være interessant å sammenligne to nært beslektede arter, hvorav bare én har opplevd en intronsverm i nyere evolusjonshistorie. Sammenligningen kan bidra til å avsløre hvordan tilstrømning av introner kan fremme utseendet til nye gener. "Fordi vi vet at å bringe inn introner også kan lette fangsten av ytterligere eksoner - så helt nye ting," sa han.
På samme måte tror Feschotte at overflod av introner kan bidra til å drive utviklingen av generfamilier som kan endre seg raskt. Fylt med nye introner, kan disse genene velge den nye variasjonen som er muliggjort av alternativ spleising.
Slike raskt utviklende gener er utbredt i naturen. Giftige arter, for eksempel, trenger ofte å remikse de komplekse cocktailene av peptider i giftene deres på genetisk nivå for å tilpasse seg forskjellige byttedyr eller rovdyr. Immunsystemets evne til å generere uendelig forskjellige molekylære reseptorer avhenger også av gener som kan omorganisere og rekombinere raskt.
Peona advarer imidlertid om at selv om intronere kan gi fordeler for en organisme, kan de også være helt nøytrale. De bør betraktes som "uskyldige inntil de er bevist skyldige i funksjon eller noe annet."
"En av tingene som kommer er å se på metagenomiske data for å prøve å finne en sak som virkelig er en klar horisontal overføring med nøyaktig samme intronere i to forskjellige arter," sa Corbett-Detig. Å finne denne brikken i puslespillet vil hjelpe til med å utdype hele historien om hvor de fleste av eukaryotenes introner har kommet fra.
Irina Arkhipova, en molekylær evolusjonær genetiker ved University of Chicago Marine Biological Laboratory, er interessert i å vite mer om hvordan intronere sprer seg gjennom genomet i så store skalaer. "Det etterlater bare ingen spor av enzymet som var ansvarlig for denne massive utbruddet av mobilitet - det er et mysterium," sa hun. "Du må i utgangspunktet fange den på fersken mens den fortsatt er i bevegelse."
For Gozashti har oppdagelsen av intronere i et så bredt spekter av eukaryoter en leksjon om hvordan man kan nærme seg grunnleggende spørsmål om naturen til eukaryote liv: Tenk bredt. Studier fokuserer ofte på flisen av biologisk mangfold representert av dyr og landplanter. Men for å forstå de viktige mønstrene av genomisk informasjon som ligger til grunn for alt liv, "må vi sekvensere mer eukaryotisk mangfold, flere av disse protistlinjene der vi ikke vet noe om hvordan de utvikler seg," sa han. "Hadde vi bare studert landplanter og dyr, ville vi aldri ha funnet intronere."
Redaktørens notat: Gozashti er en doktorgradsstudent i laboratoriet til Hopi Hoekstra, som sitter i rådgivende styre for Quanta.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- kilde: https://www.quantamagazine.org/how-a-dna-parasite-may-have-fragmented-our-genes-20230330/
- :er
- ][s
- $OPP
- 000
- 1
- 100
- 2016
- 2020
- a
- evne
- Om oss
- fraværende
- Absolute
- overflod
- utrette
- Logg inn
- Akkumulere
- oppnådd
- tvers
- Handling
- aktiv
- aktivitet
- faktisk
- tilpasse
- Ytterligere
- rådgivende
- rådgivende styre
- Alle
- alternativ
- Selv
- blant
- og
- dyr
- En annen
- besvare
- noen
- hvor som helst
- vises
- tilnærming
- hensiktsmessig
- ER
- Arizona
- rundt
- ankommer
- AS
- Association
- At
- oppmerksomhet
- forfatter
- automatisk
- I utgangspunktet
- BE
- fordi
- bli
- bak
- Fordeler
- Bedre
- mellom
- Bias
- Stor
- biologi
- borde
- grener
- bredde
- Bringe
- bredt
- bygge
- byrde
- by
- california
- som heter
- CAN
- fangst
- saken
- Catch
- Årsak
- Celler
- Århundre
- viss
- utfordre
- endring
- Chicago
- fjerne
- tydeligere
- Lukke
- tett
- Koding
- SAMMENHENGENDE
- kollegaer
- samlet sett
- Kom
- Felles
- sammenligne
- sammenligning
- konkurrere
- helt
- komplekse
- kompleksitet
- komplisert
- tilkobling
- ansett
- stadig
- inneholde
- kontinuerlig
- kontrast
- bidratt
- kunne
- skape
- Opprette
- skjæring
- dato
- debatt
- tiår
- Forsvar
- avhenger
- Avledet
- beskrevet
- utviklet
- forskjellig
- direkte
- Funnet
- distinkt
- distribueres
- diverse
- Mangfold
- dna
- gjør
- domene
- ikke
- dramatisk
- tegne
- stasjonen
- kjøring
- under
- hver enkelt
- savner
- effektivitet
- effektiv
- Egg
- element
- elementer
- andre steder
- innebygd
- veksten
- Emery
- aktivert
- uendelige
- Miljø
- miljøer
- like
- utstyrt
- anslått
- Selv
- hendelser
- alt
- bevis
- evolusjon
- utvikle seg
- utviklet seg
- utvikling
- eksempel
- erfaren
- Forklar
- forklarte
- forklaring
- ekspress
- ekstrem
- legge til rette
- familier
- familie
- Trekk
- Noen få
- Figur
- filtre
- Endelig
- Finn
- finne
- Først
- Fisk
- Fokus
- Til
- utenlandske
- skjemaer
- funnet
- fragmentert
- Frekvens
- fra
- fullt
- funksjon
- funksjonelle
- fundamental
- Gevinst
- få
- inntjening
- generere
- genererer
- genomikk
- GitHub
- Go
- god
- oppgradere
- flott
- Grønn
- Gruppe
- Gruppens
- skyldig
- Halvparten
- hånd
- skje
- skjedde
- Hard
- skadelig
- harvard
- Harvard University
- Ha
- tung
- hjelpe
- hint
- historie
- holder
- Horisontal
- vert
- Vertskapet
- Hvordan
- Hvordan
- Men
- http
- HTTPS
- stort
- menneskelig
- Hundrevis
- Ideer
- identifisert
- identifisere
- Immunsystem
- viktig
- in
- Incorporated
- øker
- påvirke
- tilstrømning
- informasjon
- i utgangspunktet
- f.eks
- i stedet
- interessert
- interessant
- gripe inn
- involvere
- IT
- DET ER
- selv
- nøkkel
- Type
- Vet
- Knowing
- kjent
- laboratorium
- Tomt
- stor
- større
- Siste
- forlater
- leksjon
- Nivå
- Life
- lett
- i likhet med
- Sannsynlig
- litteratur
- Lang
- lenger
- Se
- ser
- Flertall
- gjøre
- mange
- massive
- medium
- medlemmer
- Messenger
- kunne
- millioner
- millioner
- mobilitet
- modeller
- molekyl~~POS=TRUNC
- mer
- Videre
- mest
- flytte
- flytting
- flere
- Mystery
- Naturlig
- Natur
- nesten
- Trenger
- Nøytral
- Ny
- neste
- November
- tall
- mange
- forekom
- of
- tilby
- Oklahoma
- on
- ONE
- Muligheter
- motsatt
- rekkefølge
- Annen
- egen
- Papir
- Parallels
- spesielt
- Mønster
- mønstre
- merkelig
- prosent
- permanent
- fenomen
- brikke
- stykker
- Hvordan få de til å trives
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- Point
- populasjoner
- mulig
- potensiell
- presentert
- pen
- primært
- prosess
- produsere
- Produkter
- fremme
- foreslått
- Protein
- Proteiner
- beviste
- utprøvd
- gi
- publisert
- puslespillet
- Quantamagazin
- spørsmål
- spørsmål
- raskt
- Race
- radar
- hever
- område
- raskt
- SJELDEN
- Lese
- grunnen til
- nylig
- gjenkjenne
- Gjenspeiler
- i slekt
- forble
- Remix
- fjerne
- fjernet
- fjerne
- gjentatt
- representert
- forskning
- forsker
- forskere
- ansvarlig
- resultere
- resulterende
- avsløre
- RNA
- Sa
- samme
- Nisse
- Skala
- vekter
- vitenskapelig
- forskere
- SEA
- segmenter
- utvalg
- selektiv
- senior
- Sequence
- Serien
- serverer
- sett
- flere
- Del
- sau
- bør
- Vis
- lignende
- likheter
- Enkelt
- siden
- enkelt
- nettstedet
- Nettsteder
- SIX
- litt annerledes
- slipping
- liten
- mindre
- So
- noen
- kilde
- Rom
- spesiell
- spesifikk
- splittet
- spagaten
- sprer
- Tilstand
- Stealth
- Still
- Story
- sterk
- sterk
- Student
- studert
- studier
- Studer
- I ettertid
- suksess
- slik
- plutselig
- system
- Ta
- lag
- bakkenett
- Det
- De
- informasjonen
- deres
- Dem
- seg
- derfor
- Disse
- ting
- tenker
- tusener
- Gjennom
- hele
- tid
- ganger
- typen
- til
- i dag
- sammen
- ton
- også
- Totalt
- HELT KLART
- Trace
- overføre
- overføres
- overføringer
- enorm
- snudde
- typisk
- allestedsnærværende
- etter
- underliggende
- forstå
- ukjent
- universitet
- University of California
- University of Chicago
- bruke
- ulike
- enorme
- advarer
- Vann
- Vei..
- måter
- webp
- Hva
- hvilken
- mens
- HVEM
- bred
- Bred rekkevidde
- allment
- utbredt
- vil
- med
- Arbeid
- arbeid
- ville
- år
- Du
- zephyrnet