Редукционная эволюция

Редукционная эволюция — это процесс, посредством которого микроорганизмы удаляют гены из своего генома . Это может произойти, когда бактерии, находящиеся в свободноживущем состоянии, переходят в ограничительное состояние (как эндосимбионты или паразиты ) или полностью поглощаются другим организмом, становясь внутриклеточными ( симбиогенез ). Бактерии будут адаптироваться, чтобы выживать и процветать в ограничительном состоянии, изменяя и сокращая свой геном, чтобы избавиться от новых избыточных путей, которые предоставляются хозяином. [1] В отношениях эндосимбионта или симбиогенеза, где и гость, и хозяин получают выгоду, хозяин также может подвергнуться редукционной эволюции, чтобы устранить пути, которые более эффективно предоставляются гостем. [2]

Примеры

Эндосимбионтные или паразитические микроорганизмы, такие как Rickettsia prowazekii , Chlorella в Paramecium , Buchnera aphidicola в тлях и бактерии Wolbachia в Wuchereria bancrofti, были изучены и полностью секвенированы, поэтому их используют в качестве примеров редуктивной эволюции. Иногда бактерии удаляют гены из своего генома, это называется редуктивной эволюцией. Редуктивные гены могут быть несущественными для организма и позволяют бактериям размножаться более эффективно. [1]

Другим примером этого может служить гипотеза черной королевы , где бактерии полагаются на внеклеточные метаболиты, вырабатываемые симбиотическими бактериями в их среде. Бактерии становятся зависимыми друг от друга, сокращая, избавляясь от генов, ответственных за выработку собственных метаболитов. Это также может быть облигатным внутриклеточным организмом, который сокращает свои геномы и становится зависимым от хозяина, чтобы производить метаболиты для использования организмом. [3]

Эндосимбиотическая теория

Редукционная эволюция [4] является основой эндосимбиотической теории , которая утверждает, что эукариоты поглощали другие микроорганизмы (эукариоты и археи) для их метаболитов, которые они производили. Поглощенные организмы подвергаются редукционной эволюции, удаляя гены, которые считались несущественными или бесполезными для клетки в ее конкретной нише в хозяине. При сравнении ископаемых свидетельств можно продемонстрировать редукционную эволюцию. [5]

Было обнаружено, что ДНК, обнаруженная в древних прокариотических и митохондриальных окаменелостях, имеет более высокие уровни цитозина и гуанина по сравнению с ДНК, обнаруженной в том же организме сегодня. Различные сегменты генома, которые были признаны неблагоприятными, возможно, были удалены с течением времени из-за делеций ДНК, что привело к сокращению генома. [6] Количество цитозина и гуанина в геноме организма напрямую связано с общим размером этого генома. [7]

Геном может стать более сложным или упрощенным из-за случайных мутаций. [8]

Chlorella — вторичный эндосимбионт, который живет внутри видов Paramecium и является примером облигатной внутриклеточной редукционной эволюции. Moranella — это двухмембранная грамотрицательная бактерия, которая живет в другом эндосимбионте, «Candidatus Tremblaya», который, в свою очередь, живет в мучнистом червеце .

Размеры геномов различных организмов, демонстрирующие сокращение геномов с течением времени за счет удаления ненужных генов.

История

После редуктивной эволюции предполагается, что между 180 и 425 миллионами лет назад произошел инцидент с паразитом Rickettsia . Была выдвинута гипотеза, что это событие должно было произойти позже, поскольку Rickettsia и митохондрии произошли от общего предка. С этой информацией ученые понимают, что Rickettsia и митохондрии должны были произойти в разные моменты своей эволюции. Для идентификации и подтверждения этих эндосимбиотических событий использовались окаменелости, но их было найдено недостаточно для хорошего статистического размера выборки. [6]

Лин Маргулис заметила: «Бактерия установила стабильное место жительства в цитоплазме примитивного эукариота и снабжала клетку энергией в обмен на защищенную среду с готовым запасом питательных веществ». [9] Это стало ведущей теорией эндосимбиоза. Это было дополнительно подтверждено открытием того, что митохондрии и хлоропласты имели отдельный геном от генома хозяина, но утратили способность жить вне хозяина.

Идентификация

Существует множество методов, помогающих определить, были ли удалены гены, два из которых — это модели максимальной экономии (MP) или максимального правдоподобия (ML), которые используются для воссоздания эволюционного дерева этих видов и их генных составов древних форм, а также потери и приобретения генов вдоль ветвей дерева, которые затем сравниваются друг с другом. Однако существуют ограничения, в основном из-за использования разных моделей или добавления новой информации, которая может исказить результаты. Например, использование Экономии Долло или Взвешенной экономии.

Максимальная экономия (MP)

Максимальное правдоподобие (ML)

Rickettsia prowazekii — это неограниченный микроорганизм, который использовался для демонстрации деградации генома [10] ДНК и размер генома не связаны со сложностью организма. Есть некоторые бактерии, у которых намного больше ДНК, чем у человека. Это еще не изучено и называется « Загадкой C-значения» или «Парадоксом C-значения» . Другими словами, огромное количество ДНК в гаплоидном геноме не сравнится со сложностью организма и может сильно отличаться. В процессе редуктивной эволюции большие участки ДНК могли быть удалены, выключены или поэтапно выведены организмом, если они оказались бесполезными для его стремления выживать и расти.

Ссылки

  1. ^ ab Wilcox JL, Dunbar HE, Wolfinger RD, Moran NA (июнь 2003 г.). «Последствия редуктивной эволюции для экспрессии генов в облигатном эндосимбионте». Молекулярная микробиология . 48 (6): 1491–500. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03522.x . PMID  12791133.
  2. ^ Андерссон СГ , Курланд КГ (июль 1998). «Редуктивная эволюция резидентных геномов». Тенденции в микробиологии . 6 (7): 263–8. doi :10.1016/s0966-842x(98)01312-2. PMID  9717214.
  3. ^ Song H, Hwang J, Yi H, Ulrich RL, Yu Y, Nierman WC, Kim HS (май 2010 г.). «Ранняя стадия бактериальной геном-редуктивной эволюции у хозяина». PLOS Pathogens . 6 (5): e1000922. doi : 10.1371/journal.ppat.1000922 . PMC 2877748. PMID  20523904 . 
  4. ^ "Редуктивная эволюция микробных геномов". Кафедра биологии, Лундский университет . 11 июля 2018 г. Архивировано из оригинала 4 сентября 2019 г. Получено 30 сентября 2019 г.
  5. ^ Delmotte F, Rispe C, Schaber J, Silva FJ, Moya A (июль 2006 г.). «Темп и режим ранней потери генов у эндосимбиотических бактерий от насекомых». BMC Evolutionary Biology . 6 : 56. doi : 10.1186/1471-2148-6-56 . PMC 1544356. PMID  16848891 . 
  6. ^ ab Khachane AN, Timmis KN, Martins dos Santos VA (февраль 2007 г.). «Динамика редуктивной эволюции генома в митохондриях и облигатных внутриклеточных микробах». Молекулярная биология и эволюция . 24 (2): 449–56. doi : 10.1093/molbev/msl174 . hdl : 10033/19778 . PMID  17108184.
  7. ^ Wolf YI, Koonin EV (сентябрь 2013 г.). «Редукция генома как доминирующий режим эволюции». BioEssays . 35 (9): 829–37. doi :10.1002/bies.201300037. PMC 3840695 . PMID  23801028. 
  8. ^ Wang M, Yafremava LS, Caetano-Anollés D, Mittenthal JE, Caetano-Anollés G (ноябрь 2007 г.). «Редуктивная эволюция архитектурных репертуаров в протеомах и рождение трехчастного мира». Genome Research . 17 (11): 1572–85. doi :10.1101/gr.6454307. PMC 2045140 . PMID  17908824. 
  9. ^ Маргулис Л. "Эндосимбиоз". evolution.berkeley.edu . Получено 2019-11-08 .
  10. ^ Andersson JO, Andersson SG (сентябрь 1999). «Деградация генома — это непрерывный процесс у риккетсий». Молекулярная биология и эволюция . 16 (9): 1178–91. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026208 . PMID  10486973.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Редуктивная_эволюция&oldid=1193790911"