Парадокс G-значения
Парадокс G-значения возникает из-за отсутствия корреляции между количеством белок, кодирующих генов, среди эукариот и их относительной биологической сложностью. микроскопическая нематода Caenorhabditis elegans Например, состоит всего из тысячи клеток , но имеет примерно такое же количество генов, как и человек. [ 1 ] [ 2 ] Исследователи предполагают, что разрешение парадокса может заключаться в таких механизмах, как альтернативный сплайсинг и комплексная регуляция генов , которые делают гены человека и других сложных эукариот относительно более продуктивными. [ 3 ]
ДНК и биологическая сложность
[ редактировать ]Отсутствие корреляции между морфологической сложностью эукариот и объемом генетической информации, которую они несут, долгое время озадачивало исследователей. [ 4 ] Само количество ДНК в организме, измеряемое массой ДНК, присутствующей в ядре , или количеством составляющих пар нуклеотидов , варьируется у эукариот на несколько порядков и часто не связано с размером организма или сложностью развития. [ 5 ] У одной амебы в 200 раз больше ДНК на клетку, чем у человека. [ 6 ] и даже насекомые и растения одного рода могут сильно различаться по количеству ДНК. [ 7 ] Этот парадокс C-значения беспокоил ученых-геномистов в течение многих лет.
В конце концов исследователи признали, что не вся ДНК напрямую участвует в производстве белков и других биологических функциях. [ 8 ] Сусуму Оно придумал фразу « мусорная ДНК », чтобы описать эти нефункциональные участки ДНК. [ 9 ] Они включают интроны , генетические последовательности, которые удаляются после транскрипции в мРНК и, следовательно, не транслируются в белки; [ 4 ] [ 10 ] мобильные элементы , представляющие собой мобильные фрагменты ДНК, большинство из которых у человека нефункциональны; [ 8 ] [ 11 ] и псевдогены , нефункциональные последовательности ДНК, происходящие из функциональных генов. [ 12 ] Доля человеческого генома, которую можно считать «мусором», остается спорной. Оценки достигают всего 8% [ 13 ] и достигает 80%, [ 14 ] генома при этом один исследователь утверждает, что существует фиксированный потолок в 15%, налагаемый генетической нагрузкой . [ 15 ] ( Прокариоты , у которых по сравнению с этим мало «мусорной» ДНК, демонстрируют довольно тесную связь между размером генома и биологической функциональностью). [ 16 ]
В любом случае предполагалось, что как только C-парадокс будет отброшен и фокус сместится на количество генов, кодирующих белок, возникнет ожидаемая корреляция между генетической информацией и биологической сложностью у эукариот. [ 3 ] К сожалению, парадокс G-значения просто продолжился там, где остановился парадокс C-значения, потому что несоответствие сохранялось, когда сравнение было сужено до генов, кодирующих белок. [ 3 ] [ 17 ]
Парадокс G-значения
[ редактировать ]количество кодирующих генов в человеческом геноме По оценкам , до проекта генома человека достигало более 100 000 . [ 18 ] но с тех пор их число сократилось до 19 000 после завершения масштабных усилий по секвенированию и последующих усовершенствований. [ 1 ] Для сравнения: у микроскопической водяной блохи Daphnia pulex около 31 000 генов; [ 19 ] нематода C. elegans — около 19 700; [ 2 ] плодовая мушка ( Drosophila melanogaster ) — около 14 000; [ 20 ] рыбка данио ( Danio rerio ) — 26 000; [ 21 ] и небольшое цветущее растение Arabidopsis thaliana — 27 000. [ 22 ] Растения в целом имеют больше генов, чем другие эукариоты. [ 23 ] Одним из объяснений является более высокая частота дупликации генов и целого генома, а также сохранение этих дополнительных генов, отчасти из-за развития у них большой коллекции защитных вторичных метаболитов . [ 23 ]
Очевидное несоответствие между количеством генов у вида и его биологической сложностью было названо парадоксом G-ценности. [ 3 ] В то время как парадокс значения C был раскрыт с открытием массивных последовательностей некодирующей ДНК, разрешение парадокса значения G, по-видимому, основано на различиях в продуктивности генома. Люди и другие сложные эукариоты просто могут быть способны делать больше с тем, что у них есть, с генетической точки зрения.
Среди механизмов, приводящих к такой большей продуктивности, — более сложный контроль транскрипции , [ 24 ] многофункциональные белки, большее взаимодействие между белковыми продуктами, альтернативный сплайсинг [ 25 ] и посттрансляционные модификации , которые могут производить несколько белковых продуктов из одного и того же генетического сырья. [ 3 ] [ 24 ] Кроме того, тысячи некодирующих РНК , которые транскрибируются с ДНК, но не транслируются в белок, стали важными регуляторами экспрессии и развития генов у людей и других эукариот. [ 26 ] Они включают короткие последовательности РНК, такие как микроРНК (миРНК), малые интерферирующие РНК (миРНК) и взаимодействующие с Piwi РНК (пиРНК). [ 26 ] и длинные некодирующие РНК (днРНК), которые могут регулировать экспрессию генов на разных стадиях развития. [ 27 ] Некоторые исследователи предполагают, что вместо количества генов фокус теперь должен сместиться на взаимодействие генов и сеть генетических регуляторных механизмов , которые позволяют им поддерживать различные биологические активности. [ 28 ] [ 24 ] Эти переходы привели к анализу генетической сложности от значения C к значению G к тому, что некоторые называют I-значением, мерой всей информации, содержащейся в геноме. [ 3 ]
Определение сложности
[ редактировать ]Одной из проблем в длительных дебатах по поводу несоответствия между размером генома и биологической сложностью была двусмысленность в определении сложности. Количество типов клеток в организме, сложность его нервной системы или количество различных белков, которые он производит? [ 17 ] По некоторым определениям, большая сложность человека по сравнению с другими организмами может быть иллюзорной. [ 29 ] Некоторые исследователи утверждают, что даже после того, как сложность определена, сложность функции не обязательно требует такой же сложности процесса. Эволюция не является образцом эффективности, она идет по извилистому пути, который приводит к созданию более громоздкого генома, чем это необходимо для некоторых видов. [ 30 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Эзкурдиа И., Хуан Д., Родригес Дж.М., Франкиш А., Дикханс М., Харроу Дж. и др. (ноябрь 2014 г.). «Множество данных свидетельствует о том, что может существовать всего лишь 19 000 генов, кодирующих человеческие белки» . Молекулярная генетика человека . 23 (22): 5866–78. дои : 10.1093/hmg/ddu309 . ПМК 4204768 . ПМИД 24939910 .
- ^ Jump up to: а б Хиллер Л.В., Коулсон А., Мюррей Дж.И., Бао З., Салстон Дж.Э., Уотерстон Р.Х. (декабрь 2005 г.). «Геномика C. elegans: так много генов, такой маленький червячок» . Геномные исследования . 15 (12): 1651–60. дои : 10.1101/гр.3729105 . ПМИД 16339362 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Хан М.В., Рэй Джорджия (2002). «Парадокс значения g». Эволюция и развитие . 4 (2): 73–5. дои : 10.1046/j.1525-142X.2002.01069.x . ПМИД 12004964 . S2CID 2810069 .
- ^ Jump up to: а б Галл Дж.Г. (декабрь 1981 г.). «Структура хромосом и парадокс C-значения» . Журнал клеточной биологии . 91 (3 Пт 2): 3–14 с. дои : 10.1083/jcb.91.3.3s . ПМК 2112778 . ПМИД 7033242 .
- ^ Кавалер-Смит Т. (декабрь 1978 г.). «Контроль объема ядра с помощью скелетно-ядерной ДНК, отбор по объему клеток и скорости роста клеток, а также решение парадокса C-значения ДНК». Журнал клеточной науки . 34 : 247–78. дои : 10.1242/jcs.34.1.247 . ПМИД 372199 .
- ^ Холм-Хансен О. (январь 1969 г.). «Водоросли: количество ДНК и органического углерода в отдельных клетках». Наука . 163 (3862): 87–8. Бибкод : 1969Sci...163...87H . дои : 10.1126/science.163.3862.87 . ПМИД 5812598 . S2CID 44975843 .
- ^ Томас Калифорния (1971). «Генетическая организация хромосом». Ежегодный обзор генетики . 5 (1): 237–56. дои : 10.1146/annurev.ge.05.120171.001321 . ПМИД 16097657 .
- ^ Jump up to: а б Григорий Т.Р. (сентябрь 2005 г.). «Синергия между последовательностью и размером в крупномасштабной геномике». Обзоры природы. Генетика . 6 (9): 699–708. дои : 10.1038/nrg1674 . ПМИД 16151375 . S2CID 24237594 .
- ^ Оно, С. (1972). «В нашем геноме так много «мусорной» ДНК». Брукхейвенский симп. Биол . 23 : 366–370. ПМИД 5065367 .
- ^ Гилберт В. (май 1985 г.). «Возвращение к генам в кусочках». Наука . 228 (4701): 823–4. Бибкод : 1985Sci...228..823G . дои : 10.1126/science.4001923 . ПМИД 4001923 .
- ^ Оргель Л.Е., Крик Ф.Х. (апрель 1980 г.). «Эгоистичная ДНК: величайший паразит». Природа . 284 (5757): 604–7. Бибкод : 1980Natur.284..604O . дои : 10.1038/284604a0 . ПМИД 7366731 . S2CID 4233826 .
- ^ Балакирев Е.С., Аяла Ф.Дж. (2003). «Псевдогены: это «мусор» или функциональная ДНК?». Ежегодный обзор генетики . 37 (1): 123–51. дои : 10.1146/annurev.genet.37.040103.103949 . ПМИД 14616058 . S2CID 24683075 .
- ^ Рэндс CM, Мидер С., Понтинг CP, Лантер Дж. (июль 2014 г.). Шируп М.Х. (ред.). «8,2% генома человека ограничено: различия в скорости оборота между классами функциональных элементов в человеческой линии» . ПЛОС Генетика . 10 (7): e1004525. дои : 10.1371/journal.pgen.1004525 . ПМК 4109858 . ПМИД 25057982 .
- ^ Данэм И., Кундадже А., Олдред С.Ф., Коллинз П.Дж., Дэвис К.А., Дойл Ф. и др. (Консорциум проекта ENCODE) (сентябрь 2012 г.). «Комплексная энциклопедия элементов ДНК в геноме человека» . Природа . 489 (7414): 57–74. Бибкод : 2012Natur.489...57T . дои : 10.1038/nature11247 . ПМЦ 3439153 . ПМИД 22955616 .
- ^ Граур Д (июль 2017 г.). Мартин Б. (ред.). «Верхний предел функциональной доли генома человека» . Геномная биология и эволюция . 9 (7): 1880–1885. дои : 10.1093/gbe/evx121 . ПМК 5570035 . ПМИД 28854598 .
- ^ Тафт Р.Дж., Фазан М., Мэттик Дж.С. (март 2007 г.). «Взаимосвязь между некодирующей белок ДНК и сложностью эукариот». Биоэссе . 29 (3): 288–99. doi : 10.1002/bies.20544 . ПМИД 17295292 . S2CID 16226307 .
- ^ Jump up to: а б Клавери Дж. М. (февраль 2001 г.). «Количество генов. Что, если человеческих генов всего 30 000?». Наука . 291 (5507): 1255–7. дои : 10.1126/science.1058969 . ПМИД 11233450 . S2CID 11444318 .
- ^ Филдс К., Адамс, доктор медицинских наук, Уайт О., Вентер Дж. К. (июль 1994 г.). «Сколько генов в геноме человека?». Природная генетика . 7 (3): 345–6. дои : 10.1038/ng0794-345 . ПМИД 7920649 . S2CID 26164550 .
- ^ Колборн Дж.К., Пфрендер М.Э., Гилберт Д., Томас В.К., Такер А., Окли Т.Х. и др. (февраль 2011 г.). «Экологичный геном Daphnia pulex» . Наука . 331 (6017): 555–61. Бибкод : 2011Sci...331..555C . дои : 10.1126/science.1197761 . ПМК 3529199 . ПМИД 21292972 .
- ^ Хейлз К.Г., Кори К.А., Ларракуэнте А.М., Робертс Д.М. (ноябрь 2015 г.). «Генетика на лету: введение в модельную систему дрозофилы» . Генетика . 201 (3): 815–42. дои : 10.1534/genetics.115.183392 . ПМЦ 4649653 . ПМИД 26564900 .
- ^ Хоу К., Кларк М.Д., Торроха К.Ф., Торранс Дж., Бертло С., Муффато М. и др. (апрель 2013 г.). «Эталонная последовательность генома рыбки данио и ее связь с геномом человека» . Природа . 496 (7446): 498–503. Бибкод : 2013Natur.496..498H . дои : 10.1038/nature12111 . ПМЦ 3703927 . ПМИД 23594743 .
- ^ Сварбрек Д., Уилкс С., Ламеш П., Берардини Т.З., Гарсия-Эрнандес М., Ферстер Х. и др. (январь 2008 г.). «Информационный ресурс арабидопсиса (TAIR): аннотация структуры и функций гена» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (Проблема с базой данных): D1009-14. дои : 10.1093/нар/gkm965 . ПМК 2238962 . ПМИД 17986450 .
- ^ Jump up to: а б Стерк Л., Ромбаутс С., Вандеполе К., Рузе П., Ван де Пер Ю. (апрель 2007 г.). «Сколько генов у растений (... и почему они там)?». Современное мнение в области биологии растений . 10 (2): 199–203. дои : 10.1016/j.pbi.2007.01.004 . ПМИД 17289424 .
- ^ Jump up to: а б с Рэй Г.А., Хан М.В., Абухейф Э., Балхофф Дж.П., Пайзер М., Рокман М.В., Романо Л.А. (сентябрь 2003 г.). «Эволюция регуляции транскрипции у эукариот» . Молекулярная биология и эволюция . 20 (9): 1377–419. дои : 10.1093/molbev/msg140 . ПМИД 12777501 .
- ^ Нагасаки Х., Арита М., Нисидзава Т., Сува М., Гото О. (декабрь 2005 г.). «Видоспецифические вариации альтернативного сплайсинга и инициации транскрипции у шести эукариот». Джин . 364 : 53–62. дои : 10.1016/j.gene.2005.07.027 . ПМИД 16219431 .
- ^ Jump up to: а б Гаити Ф, Кальчино А.Д., Танурджич М., Дегнан Б.М. (июль 2017 г.). «Происхождение и эволюция некодирующего регуляторного генома многоклеточных животных» . Биология развития . 427 (2): 193–202. дои : 10.1016/j.ydbio.2016.11.013 . ПМИД 27880868 .
- ^ Леоне С., Санторо Р. (август 2016 г.). «Проблемы анализа функциональных возможностей длинных некодирующих РНК» . Письма ФЭБС . 590 (15): 2342–53. дои : 10.1002/1873-3468.12308 . ПМИД 27417130 . S2CID 19766152 .
- ^ Сатмари Э, Джордан Ф, Пал К (май 2001 г.). «Молекулярная биология и эволюция. Могут ли гены объяснить биологическую сложность?». Наука . 292 (5520): 1315–6. дои : 10.1126/science.1060852 . ПМИД 11360989 . S2CID 86104866 .
- ^ Макши Д.В. (апрель 1996 г.). «Перспективная сложность и эволюция многоклеточных животных: есть ли тенденция?». Эволюция; Международный журнал органической эволюции . 50 (2): 477–492. дои : 10.1111/j.1558-5646.1996.tb03861.x . ПМИД 28568940 . S2CID 29590466 .
- ^ Джейкоб Ф. (июнь 1977 г.). «Эволюция и мастерство». Наука . 196 (4295): 1161–6. Бибкод : 1977Sci...196.1161J . дои : 10.1126/science.860134 . ПМИД 860134 . S2CID 29756896 .