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鸡蛋问题:婴儿基因来自哪里?

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新基因更可能出现在全面形式的进化阶段,而不是逐渐形成通过连续阶段的“原始基因”,变得越来越精细几代人。这是由亚利桑那大学本杰明·威尔逊(Benjamin Wilson)和乔安娜·马塞尔(Joanna Masel)领导的科学杂志Nature Ecology&

首先,不要伤害:对于一个新生的基因,它必须有一个“超级基因”的结构,以避免其蛋白质产物积累和损害细胞。

进化生物学家对于新基因从何而来的问题已经有了长期的了解,这些问题构成了鸡与蛋问题。传统的观点认为,新的基因 - 编码蛋白质分子的DNA序列 - 通过重复和分歧从现有的基因发展而来。当DNA复制机制意外地留下额外的特定基因拷贝时,会发生这种情况。天然存在的突变随后引入改变DNA序列的改变,使得新基因承担之前在生物体谱系中未发现的功能。其他研究人员之前的研究表明,新的基因也通过原始的“原基因”从非编码DNA序列中出现,这些原基因会在几代中变得更加完善,从而形成一个“成人”功能完全的基因。根据非编码DNA序列可能引起高度有序的蛋白质的事实,Masel和她的团队发现相反的可能性更大。由链接在一起形成所谓的多肽的氨基酸组成的蛋白质倾向于折叠成从简单到令人惊讶的复杂的三维结构。虽然“有序”听起来似乎是件好事,但Masel很快指出,当进化提出新的基因作为新蛋白质的蓝图时,健康的疾病剂量是成功的关键。

为了研究,研究人员编辑了从酵母和小鼠数据库下载的全基因组DNA序列的数据。

“我们把所有已知的小鼠基因和酵母基因都查询过,并对它们进行排序,看看它们与之相关的东西,”生态与进化系教授Masel解释说,他是UA成员之一BIO5研究所“,在此基础上,我们为每个基因分配一个年龄,告诉我们什么时候出生。”

在下一步,团队使用统计分析来创建一个模型,揭示将存在的平均秩序在每个基因的产品中。

Masel说:“我们发现最年轻的基因是所有基因中排序最少的,这就是如果您生成了一个基因,您将会得到的结果。

蛋白质的关键是可以为其有机体提供有用的功能,同时又不损害它的是一种健康的混合物,因为它们是由亲水性或“爱水”的氨基酸和不可溶的的疏水性或“防水”氨基酸。

如果一种蛋白质由过多的爱好水的氨基酸组成,它将保持大部分展开,漂浮在细胞内部,作为无法完成生物任务的无组织链。如果它的长度太多是防水的,氨基酸会聚集在一起,导致蛋白质不能使用,甚至是危险的,因为当这种错误折叠的蛋白质相互碰撞时,它们倾向于彼此粘附并积聚。

“现在想想我们所知道的最高度有序的蛋白质 - 淀粉样蛋白,”Masel说,指阿尔茨海默症患者大脑中发现的臭名昭着的成堆蛋白质。 “因此,任何前瞻性基因的首要任务是:'不要伤害。不要错过。“

这对非编码DNA序列的新基因的进化具有深远的意义。因为这样的序列可能会产生高度有序的蛋白质,所以它们可能对生物体有害。在这种情况下,任何前瞻性的新基因都必须从某种“超基因”开始 与“原始基因”形成对比。它不是作为一个未定义的基因在基因库中首次出现,它仍然与它来自的非编码DNA序列有很多相似之处,它编码的蛋白质必须以高于平均水平的程度开始在进化之前证明自己的障碍将使其成为基因库的永久成员。 “Masel说:”与其逐渐努力获得更多的亲水区域,年轻的基因从更多的亲水性和无序性,到更疏水性的区域一路下功夫。 “换句话说,当涉及到结构障碍时,如果一个多肽是”额外的基因样“,而不是”类似于基因样的“,多肽出生的可能性就最高。”

基因可能来自一个随机的,非编码的序列 - 也被称为“垃圾DNA”,另一方面,过去被认为是微不足道的,前提是在绝大多数情况下,随机序列的弊大于利。这可能不是这样,在这里讨论的研究的共同作者之一Rafik Neme在同一问题上提出第二篇论文。目前在纽约哥伦比亚大学医学中心从事博士后研究的Neme发现了第一个实验证据,即非编码DNA的“无声”延伸除了这一点以外。 Neme说:“到现在为止,没有人知道随机序列是否可以立即产生任何影响功能的功能,或者功能是否随着时间的推移而慢慢获得。 “这与随意打印猴子打字的想法相似,并期望它能够产生有意义的工作。”

Neme的实验表明,许多序列立即展现出相关的活动,有些是好的,有些是不好的。这反过来又暗示了非基因和基因之间的离散转换,并且将有利于某些种类的序列和功能。

根据他们的发现,Neme和Masel指出,基因的出生池可能比人们想象的更有助于产生新的基因。

“在我们的情况下,一个基因前体将是一个偶然被翻译成蛋白质的转录本,但是却没有功能”,她说。 “这些东西一直在进化,突变会迅速破坏它,除非该多肽为生物体提供了一些优势。要么是自然选择可以起作用,要么是没有,因此我们不认为这些可能的基因会持续很长时间。“

这又意味着基因诞生是一个突然的过渡,而不是一个涉及许多中间步骤的渐进过程。

除了Wilson,Neme和Masel之外,这篇论文由Scott Foy合着,目前在田纳西州Memphis的St. Jude儿童研究医院。约翰邓普顿基金会,国立卫生研究院和欧洲研究委员会提供资金。

来源:亚利桑那大学

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