亚功能化 - 概述

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引言

偶尔的可遗传突变会产生适合在生态位中更好地生存的有机体以及优先选择的子代。这种突变和选择的过程是达尔文进化论的基础，它从第一个细胞发展到所有现代生物，并解释了所有生物体的根本相似性。

在所有门类中，新陈代谢途径和基因序列的显着相似性有力地表明，所有现代生物都来源于一个共同的进化祖先，通过一系列小的变化，每一变化都比其他变化具有选择优势。

基因复制和亚功能化的进化

有时由于突变会导致复制，从而导致由于复制缺陷而将整个基因的第二个副本引入染色体。第二个副本没有发生缺失，它是多余的，这导致了新基因的进化，具有新的功能，同时保留了原始基因及其功能。这个整个进化过程被称为基因复制进化。

一旦基因复制，它可能会发生三种情况之一：

• 产生的重复基因没有新的功能，但它被保留用于以后的进化，这个过程被称为亚功能化。

• 重复基因获得新功能，而原始基因保留其旧功能，此过程称为新功能化。

• 本质上有害的重复会被丢失，这既不会导致保留旧功能也不会导致新功能的发展。

亚功能化 - 概述

在基因复制过程中，原始基因保持其祖先功能不变，并产生一个称为旁系同源物的重复基因，该基因可能具有与原始基因不同的功能。

在亚功能化的情况下，没有赋予新的功能，因此没有形成新的适应性。但是，形成的新基因有助于祖先基因执行其功能，即它与原始基因一起执行子功能。在这种类型的基因复制中，可以观察到劳动分工。

当其中一个基因被分段沉默导致其中一个功能的缺失时，就会出现差异，因此只有一个重复基因保留了两个功能中的一个。需要注意的是，原始基因具有执行两项任务的能力，但由于原始基因的丢失，重复基因仅保留了一个功能。

亚功能化的例子

亚功能化的一个重要例子是人类中携氧色素或血红蛋白簇的形成。在脊椎动物的进化过程中，编码这种蛋白质的基因通过各种方式被复制了几次。最初，祖先基因和重复基因执行相同的功能，但在变化过程中，这两个基因发生了分化，这是生物体正常功能所必需的。

亚功能化的另一个例子是古菌tRNA核酸内切酶的进化过程。已经发现，古菌Sulfolobus solfataricus的基因组包含Methanocladococcus jannaschii的tRNA核酸内切酶基因的两个旁系同源物。

解释亚功能化的模型

解释功能分化的模型

早期人们认为一个基因只能执行一个功能，但后来证实一个基因可以，基因的等位基因形式可以共享不同的功能。这导致了这样的假设：导致形成共享祖先基因功能的重复基因的中性突变，比新功能化更准确地描述了重复基因的保留。

专业化模型

该模型解释了在给定条件下重复基因获得的专业性。这意味着如果祖先基因在发育的每个阶段或在每个环境条件下产生蛋白质，重复基因将在特殊的发生阶段或环境条件下表达自身。这种产生的专业化将产生积极的影响，而不是中性的影响。

基因共享模型

该模型不认为基因复制是获得新功能的重要因素，而是为现有基因增加了功能。

互补模型

该模型指出，当基因复制发生时，旁系同源物共同执行祖先功能，换句话说，它们相互补充以执行单一功能，任何基因的丢失都会对祖先功能产生有害影响。

亚功能化的意义

• 亚功能化通过提供新的遗传物质来帮助漂变和选择发挥作用，这些遗传物质可以产生新的功能，这些功能可以在进化的后期阶段出现。

• 它可以帮助保存重复基因拷贝，包括新功能化的基因拷贝。

• 通过亚功能化过程进化出了许多具有新功能的新基因。换句话说，它赋予生物体遗传新颖性。

结论

亚功能化对复制基因及其相关功能的保存具有更深远的影响。它是解释生物体分化进化的最被接受的过程，因为它提供了突变，这是漂变和选择发挥作用所必需的。

作为亚功能化结果形成的重复基因在表达模式方面发生了分化，并且该模式的任何修改都可能导致修饰元件的改变。