什么是新功能化过程及其功能?
简介
西奥多修斯·多布然斯基曾说过“除了从进化的角度来看,生物学中的一切都没有意义。”这一概括得到了生物化学和分子生物学最新进展的证实。在所有门类中,新陈代谢途径和基因序列的显著相似性有力地证明了所有现代生物都源于一个共同的进化祖先,并经历了一系列小的变化,每一次变化都赋予了相对于其他生物的选择优势。
基因复制和新功能化的进化
有时由于突变导致复制发生,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。第二个副本中没有发生缺失,它是多余的,这导致了具有新功能的新基因的进化,同时保留了原始基因及其功能。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,但它被保留以供以后进化,此过程称为亚功能化。
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。
有害的复制会被丢失,既不保留旧功能也不发展新功能。
新功能化 - 概述
在基因复制事件之后,会产生原始基因的副本或旁系同源物。虽然原始基因保留其祖先功能,但旁系同源物会发生分化以获得与原始基因不同的全新功能。整个基因复制过程称为新功能化。
这是一种适应性突变,其中重复基因获得原始基因中不存在的全新功能。重复基因获得的新功能是由于分子变化导致该基因承担新功能。这种变化被认为是生物体分化的根本原因。
新功能化过程是如何发生的?
这一切都始于基因复制过程,这是针对不利环境条件的防御机制的结果,从而导致产生两个基因,第一个是保留祖先功能的原始基因,第二个是未继承祖先功能的重复基因,而是获得了保护基因免受逆境的新功能。
如果证明基因采用的这种新功能是有用的,则自然选择将选择它并将其遗传给下一代,并与给定种群保持固定。重复基因的新功能归因于祖先基因的冗余。
新功能的另一个原因是调节序列的变化或编码区域的变化,但具有新功能的重复基因的形成不影响蛋白质或酶作用的形成。
新功能化的例子
新功能化的经典例子之一是南极鱼科鱼类能够承受南极地区的冰冻条件。抗冻蛋白基因 III 是唾液酸基因复制的结果。这个新基因赋予了抵抗冰点降低的新特性,使它们能够在南极极其寒冷的环境中生存。
解释新功能化意义的不同模型
穆勒在 1936 年指出,新功能化是由于基因复制引起的。
后来,大野在 1970 年提出,种群中基因的新功能归因于新功能化,这导致了与较老种群密切相关的新品种的进化。
后来在 1987 年,太田指出,具有新功能的重复基因被下一代继承,因为它们是为了针对不利环境条件的自然防御而形成的。
最近的研究表明,由于新功能化导致在种群中固定具有新功能的新重复基因,从而导致了趋异进化。
新功能化的意义
新功能化有时对于生物体适应不断变化或恶劣的环境条件至关重要。
基因复制允许发展新的基因,从而导致新型生物体的形成。
关于新功能化的研究揭示了通过基因复制进行的进化过程和新物种的分化。
它帮助我们理解两个物种之间的进化关系。被子植物中的基因复制导致了新型调控和发育基因的形成。
它不仅表明了两个物种之间的关系,还表明了它们与环境的关系。
结论
新功能化是由基因复制以及随后两个副本序列的逐渐变化引起的。通常,旁系同源蛋白不仅在序列上相似,而且在三维结构上也相似,尽管它们在进化过程中获得了不同的功能。