Дек 19, 2017 Рост размеров генома связан с увеличением сложности организмов в ходе эволюции

Русские ученые на базе обмысленной методики доказали, что рост масштабов генома связан с ростом трудности организмов в ходе эволюции. Этот, глядело бы, явный решение до этого времени не поддавался статистическому подтверждению. Но, как представили южноамериканские спецы, этот рост не удается разъяснить с подмогой имеющихся популяционных моделей дрейфа генов и скопления случайных мутаций.

Русские ученые на основанию обмысленной методики доказали, что рост масштабов генома связан с повышением трудности организмов в ходе эволюции. Этот, выглядело бы, тривиальный заключение до этого времени не поддавался статистическому подтверждению. Все-таки, как изобразили южноамериканские спецы, этот рост не удается разъяснить с поддержкой имеющихся популяционных моделей дрейфа генов и скопления случайных мутаций.

Спектр изменчивости масштабов генома громаден: он сочиняет практически 7 порядков от внутриклеточных микробов с геномами в 150200 тыщ пар нуклеотидов до неких амеб с их 700 миллиардов пар нуклеотидов. Выглядело бы, рост трудности генома обязано иметься соединено со сложностью морфологической организации. Бактерии примитивны им и элементарного генома хватает, а чтоб править развитием трудного животного, требуется наиболее непростая генетическая программа, черкает .

Но, как ни умопомрачительно, подтвердить это предположение не удавалось (сантим.. C-value enigma). Берем ли мы безвыборочный массив обликов либо предпочитаем отдельные филогенетические полосы, не удается статистически подтвердить касательство меж масштабом геномов и степенью организации. К примеру, сходные в морфофизиологическом смысле внешности злаков располагают 20-кратный разброс в размахах генома. В то же период у жителя нашей планеты геном приблизительно в 40 разов младше, чем у двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus (сантим..: Comparison of different genome sizes).

Это противоречие можнож разрешить 2-мя методами. Основной доказать, что предпосылки неимения, выглядело бы, явной корреляции носят искусственный нрав, другими словами соединены с методическими просчетами. 2-ой путь доказать, что указанной отношения вправду нет, и предложить иную содержательную причину конфигураций масштаба генома в ходе эволюции. В текущей научной литературе возникло два известия, подсобляющих разобраться в данной дилемме.

Одно из их дает новейший методический подход к оценке отношения масштаба генома и трудности организации (либо степени эволюционного развития). Этот подход был разработан группой русских профессионалов под управлением А. В. Маркова из Палеонтологического института (Москва) и размещен в Палеонтологическом журнале. Иное, опубликованное в PLoS Genetics, дозволяет осознать, как далековато продвинулись ученые, избравшие 2-ой путь.

Марков с сотрудниками изобразили наличие отношения меж степенью организации и наименьшим масштабом генома представителей этого степени но не для целых живых организмов в целом, а только лишь для одной эволюционной полосы, водящей от прокариот к млекопитающим. В данной эволюционной полосы тенденция к росту трудности организма (никак не приходящая всеобщим эволюционным законом) проявилась более ясно. Специфичность этого исследования в том, что в качестве меры масштаба генома в той либо другой группе организмов применен малый геном, а не спектр, не средние величины и не случайные внешности. При всем этом внутриклеточные паразиты не рассматривались, потому что они вовсю пользуются генами владельца, экономя собственные ресурсы. Конкретно малый геном в великой группе организмов может посодействовать предположительно оценить размер нужной (неизбыточной) генетической инфы, обеспечивающей существование представителей таксона. Наиболее исполнительную оценку заработать тяжело, так как нет безусловно надежных методов отличить вправду негодные участки ДНК от функционально означаемых (к примеру, от некодирующих последовательностей, исполняющих регуляторные функции).

Не считая малого генома для каждого эволюционного степени учитывалось также ориентировочное период возникновения принесенной группы организмов.(сантим.. таблицу).

Ученые подобрали функции (масштаб генома в зависимости от медли возникновения), наихорошим образом аппроксимирующие эти сведения. Вышло, что эту зависимость идеальнее всего обрисовывает гиперэкспоненциальная функция, другими словами степенная экспонента; мало ужаснее экспонента (сантим.. рис. 1).

Рис. 1. Зависимость малого масштаба генома от медли возникновения группы организмов. По оси абсцисс отложено период возникновения, а по оси ординат малый масштаб генома. Набросок из обговариваемой статьи в Палеонтологическом журнале

Гиперэкспоненциальный рост свидетельствует о том, что рост генома это самоускоряющийся процесс. Чем главным образом геном, тем выше темпы роста. Какие процессы лежат в основанию этого автокатализа? По предположению ученых, один-одинешенек из источников роста генома быть может формирование новейших генов и регуляторных участков методом дупликации и перекомбинирования будущих многофункциональных участков. Великое число генов дозволяет и больший набор вероятных перекомбинаций их участков, и эта функция, разумеется, не ровная, а степенная. Сложность сама собой порождает рост трудности.

Заработанные сведения принуждают направить интерес на надлежащий факт. Самый резкий скачок в повышении малого масштаба генома зафиксирован в позднем докембрии и ранешном палеозое (600540 млн годов назад), а наибольшие темпы роста биоразнообразия, другими словами сложность наиболее больших иерархических степеней жизни, водились достигнуты максимум позднее в баста мезозоя и в кайнозое (начиная приблизительно со сто млн годов назад). Не исключено, что рост генома в какой-то мере содействовал росту биоразнообразия, предоставив доп ступени свободы для генетических композиций (жаждая нужно держать в голове, что взрывной рост контраста в мезозое и кайнозое происходил в генеральном за счет сравнимо нетрудно устроенных животных, таковых как моллюски и насекомые, и в наименьшей ступени за счет костистых рыб, птиц и млекопитающих). Это расхождение обязано заинтриговать имеющихся исследователей.

Таковым образом, ежели осмысленно подступать к выбору линии усложняющихся форм и оценкам масштаба геномов, то удается не только лишь подтвердить касательство меж сложностью организации и геномом, да и узреть черты самоускоряющегося процесса. Это, непременно, макроэволюционный масштаб преображений. При всем этом в границах каждого таксона рост генома может и не выявляться, и даже его совсем может и не иметься. Так, в эволюции птиц и прокариот преобладающей тенденцией, по-видимому, водилось убавление, а не рост масштаба генома.

Во 2-ой статье южноамериканские ученые из Института Райса (Хьюстон) и Калифорнийского института в Риверсайде попробовали отследить микроэволюционные процессы, регулирующие рост генома. В принесенном случае анализировалась не необходимая число генома, тот или другой можнож предположительно оценить по минимальному размаху генома в границах великой группы, а целый геном полностью, включая его факультативную число, масштаб тот или другой может чрезвычайно сильно варьировать, к примеру, из-за размножения эгоистических мобильных компонентов и других циклических последовательностей. Предполагается, что масштаб генома обязан быть связан обратной зависимостью с численностью популяции. В большущих популяциях за счет вероятностных действий слабовредные мутации соответственны отлично отсеиваться отбором. Рассчитывается, что большая часть дупликаций циклических участков ДНК доставляют собой как разов слабовредные мутации. Оттого в большущих популяциях отбор обязан удерживать геном от разбухания, а в малых, против, слабовредные дупликации и новейшие копии мобильных компонентов будут скапливаться, увеличивая масштаб генома.

Инспектировать эту модель должно с великой осмотрительностью, потому что исследователя подстерегают нежданные статистические трудности. В зависимости от нрава ветвления филогенетического древа подборки раздобываются различные результаты. Ежели смутить филогенетически дальние и недалекие ветки, то достается средняя температура по больнице: смущенная подборка показывает типо открытую зависимость, а любая отдельная ветвь может характеризоваться обратной зависимостью. Оттого модели популяционных действий (микроэволюционных) можнож инспектировать только лишь с учетом воздействия филогенетической близости обликов животных либо растений.

Рис. 2. Набор обликов и филогенетическое древо для их с оценками масштаба генома, примененные южноамериканскими учеными. Изображение из обговариваемой статьи в PLoS Genetics

На рис. 2 превосходно приметно рост масштабов генома в ходе эволюции. Приходит ли масштаб популяции водящим фактором этого роста? Нет, не приходит, заключили исследователи. Им не удалось выявить означаемую корреляцию меж масштабом популяции и самыми различными чертами геномов: числом генов, масштабом и числом интронов, скоростью дупликации генов, условным и безусловным числом транспозонов.

Таковым образом, анализируя два исследования, проведенные на противоположных точках света, прибываем к заключению, что мы пока не можем (к раскаянью!) осознать сущности геномных действий, правящих разрастанием либо сжатиемя геномов во медли. Мы только лишь можем зафиксировать явление рост масштабов необходимой доли генома в неких эволюционных чертах, увязанный каким-то непонятным образом с возрастанием трудности морфофизиологической организации, и констатировать его учащенный нрав. И на каких-то дорожках этого запутанного исследования мы теснее можем поставить символ тупик, чтоб не расходовать период и средства на напрасные маршруты.

Источники:
1) Kenneth D. Whitney, Theodore Garland, Jr. Did Genetic Drift Drive Increases in Genome Complexity? // PLoS Genetics. 2010. 6(8): e1001080. Doi:10.1371/journal.pgen.1001080.
2) A. В. Марков, В. А. Анисимов, А. В. Коротаев. Связь масштаба генома и трудности организма в эволюционном шеренге от прокариот к млекопитающим // Палеонтологический журнальчик. 4, 2010. Стр. 314.