亞功能化 - 概述

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引言

偶爾的可遺傳突變會產生適合在生態位中更好地生存的有機體以及優先選擇的子代。這種突變和選擇的過程是達爾文進化論的基礎，它從第一個細胞發展到所有現代生物，並解釋了所有生物體的根本相似性。

在所有門類中，新陳代謝途徑和基因序列的顯著相似性有力地表明，所有現代生物都來源於一個共同的進化祖先，透過一系列小的變化，每一變化都比其他變化具有選擇優勢。

基因複製和亞功能化的進化

有時由於突變會導致複製，從而導致由於複製缺陷而將整個基因的第二個副本引入染色體。第二個副本沒有發生缺失，它是多餘的，這導致了新基因的進化，具有新的功能，同時保留了原始基因及其功能。這個整個進化過程被稱為基因複製進化。

一旦基因複製，它可能會發生三種情況之一：

• 產生的重複基因沒有新的功能，但它被保留用於以後的進化，這個過程被稱為亞功能化。

• 重複基因獲得新功能，而原始基因保留其舊功能，此過程稱為新功能化。

• 本質上有害的重複會被丟失，這既不會導致保留舊功能也不會導致新功能的發展。

亞功能化 - 概述

在基因複製過程中，原始基因保持其祖先功能不變，併產生一個稱為旁系同源物的重複基因，該基因可能具有與原始基因不同的功能。

在亞功能化的情況下，沒有賦予新的功能，因此沒有形成新的適應性。但是，形成的新基因有助於祖先基因執行其功能，即它與原始基因一起執行子功能。在這種型別的基因複製中，可以觀察到勞動分工。

當其中一個基因被分段沉默導致其中一個功能的缺失時，就會出現差異，因此只有一個重複基因保留了兩個功能中的一個。需要注意的是，原始基因具有執行兩項任務的能力，但由於原始基因的丟失，重複基因僅保留了一個功能。

亞功能化的例子

亞功能化的一個重要例子是人類中攜氧色素或血紅蛋白簇的形成。在脊椎動物的進化過程中，編碼這種蛋白質的基因透過各種方式被複制了幾次。最初，祖先基因和重複基因執行相同的功能，但在變化過程中，這兩個基因發生了分化，這是生物體正常功能所必需的。

亞功能化的另一個例子是古菌tRNA核酸內切酶的進化過程。已經發現，古菌Sulfolobus solfataricus的基因組包含Methanocladococcus jannaschii的tRNA核酸內切酶基因的兩個旁系同源物。

解釋亞功能化的模型

解釋功能分化的模型

早期人們認為一個基因只能執行一個功能，但後來證實一個基因可以，基因的等位基因形式可以共享不同的功能。這導致了這樣的假設：導致形成共享祖先基因功能的重複基因的中性突變，比新功能化更準確地描述了重複基因的保留。

專業化模型

該模型解釋了在給定條件下重複基因獲得的專業性。這意味著如果祖先基因在發育的每個階段或在每個環境條件下產生蛋白質，重複基因將在特殊的發生階段或環境條件下表達自身。這種產生的專業化將產生積極的影響，而不是中性的影響。

基因共享模型

該模型不認為基因複製是獲得新功能的重要因素，而是為現有基因增加了功能。

互補模型

該模型指出，當基因複製發生時，旁系同源物共同執行祖先功能，換句話說，它們相互補充以執行單一功能，任何基因的丟失都會對祖先功能產生有害影響。

亞功能化的意義

• 亞功能化透過提供新的遺傳物質來幫助漂變和選擇發揮作用，這些遺傳物質可以產生新的功能，這些功能可以在進化的後期階段出現。

• 它可以幫助儲存重複基因複製，包括新功能化的基因複製。

• 透過亞功能化過程進化出了許多具有新功能的新基因。換句話說，它賦予生物體遺傳新穎性。

結論

亞功能化對複製基因及其相關功能的儲存具有更深遠的影響。它是解釋生物體分化進化的最被接受的過程，因為它提供了突變，這是漂變和選擇發揮作用所必需的。

作為亞功能化結果形成的重複基因在表達模式方面發生了分化，並且該模式的任何修改都可能導致修飾元件的改變。