什麼是新功能化過程及其功能?
簡介
西奧多修斯·多布然斯基曾說過“除了從進化的角度來看,生物學中的一切都沒有意義。”這一概括得到了生物化學和分子生物學最新進展的證實。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證明了所有現代生物都源於一個共同的進化祖先,並經歷了一系列小的變化,每一次變化都賦予了相對於其他生物的選擇優勢。
基因複製和新功能化的進化
有時由於突變導致複製發生,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。第二個副本中沒有發生缺失,它是多餘的,這導致了具有新功能的新基因的進化,同時保留了原始基因及其功能。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,但它被保留以供以後進化,此過程稱為亞功能化。
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。
有害的複製會被丟失,既不保留舊功能也不發展新功能。
新功能化 - 概述
在基因複製事件之後,會產生原始基因的副本或旁系同源物。雖然原始基因保留其祖先功能,但旁系同源物會發生分化以獲得與原始基因不同的全新功能。整個基因複製過程稱為新功能化。
這是一種適應性突變,其中重複基因獲得原始基因中不存在的全新功能。重複基因獲得的新功能是由於分子變化導致該基因承擔新功能。這種變化被認為是生物體分化的根本原因。
新功能化過程是如何發生的?
這一切都始於基因複製過程,這是針對不利環境條件的防禦機制的結果,從而導致產生兩個基因,第一個是保留祖先功能的原始基因,第二個是未繼承祖先功能的重複基因,而是獲得了保護基因免受逆境的新功能。
如果證明基因採用的這種新功能是有用的,則自然選擇將選擇它並將其遺傳給下一代,並與給定種群保持固定。重複基因的新功能歸因於祖先基因的冗餘。
新功能的另一個原因是調節序列的變化或編碼區域的變化,但具有新功能的重複基因的形成不影響蛋白質或酶作用的形成。
新功能化的例子
新功能化的經典例子之一是南極魚科魚類能夠承受南極地區的冰凍條件。抗凍蛋白基因 III 是唾液酸基因複製的結果。這個新基因賦予了抵抗冰點降低的新特性,使它們能夠在南極極其寒冷的環境中生存。
解釋新功能化意義的不同模型
穆勒在 1936 年指出,新功能化是由於基因複製引起的。
後來,大野在 1970 年提出,種群中基因的新功能歸因於新功能化,這導致了與較老種群密切相關的新品種的進化。
後來在 1987 年,太田指出,具有新功能的重複基因被下一代繼承,因為它們是為了針對不利環境條件的自然防禦而形成的。
最近的研究表明,由於新功能化導致在種群中固定具有新功能的新重複基因,從而導致了趨異進化。
新功能化的意義
新功能化有時對於生物體適應不斷變化或惡劣的環境條件至關重要。
基因複製允許發展新的基因,從而導致新型生物體的形成。
關於新功能化的研究揭示了透過基因複製進行的進化過程和新物種的分化。
它幫助我們理解兩個物種之間的進化關係。被子植物中的基因複製導致了新型調控和發育基因的形成。
它不僅表明了兩個物種之間的關係,還表明了它們與環境的關係。
結論
新功能化是由基因複製以及隨後兩個副本序列的逐漸變化引起的。通常,旁系同源蛋白不僅在序列上相似,而且在三維結構上也相似,儘管它們在進化過程中獲得了不同的功能。