Tom 58 2009
Numer 3 4 (284 285)
Strony 385 393
WiesłaW BaBik
Instytut Nauk o Środowisku Uniwersytetu Jagiellońskiego
Gronostajowa 7, 30-387 Kraków
E-mail: [e-mail]
EWOLUCJA GENOMÓW I POWSTAWANIE NOWYCH GENÓW
W tym artykule chciałbym zająć się dwo-
pikogramach (1 pg = 10 12 g); 1 pg odpowia-
ma zagadnieniami: najpierw dokonam krót-
da 978 mln par zasad (pz) DNA (978 Mb).
kiego przeglądu wielkości, organizacji oraz
Liczbę par zasad określamy wywodzącymi się
głównych trendów ewolucji genomów or-
z języka angielskiego skrótami: 1 kb = 1 tys
ganizmów komórkowych, następnie przed-
(103) pz, 1 Mb = 1 mln (106) pz oraz 1 Gb
stawię najważniejsze procesy i mechanizmy
= 1 mld (109) pz. Zakres rozmiarów geno-
ewolucyjne prowadzące do powstawania no-
mów prokariotycznych obejmuje dwa rzędy
wych genów.
wielkości, przy czym zarówno najmniejsze
Organizmy o budowie komórkowej za-
(0,16 Mb), jak i największe (13 Mb) genomy
liczamy do trzech wielkich domen życia:
występują u bakterii, zróżnicowanie wiel-
bakterii, archeowców i eukariotów. Jednak
kości genomów archeowców jest jeszcze
bardziej tradycyjny podział na organizmy
mniejsze (od ok. 0,5 do 5 Mb). Trzeba tutaj
prokariotyczne i eukariotyczne dobrze odda-
zaznaczyć, iż najmniejsze genomy bakteryjne
je zróżnicowanie charakteru komórek i geno-
spotykamy wyłącznie u pasożytów wewnątrz-
mów organizmów żywych (koonin i Wolf
komórkowych, które wykorzystują wiele pro-
2008). Bakterie i archeowce, razem określa-
cesów metabolicznych komórek-gospodarzy.
ne mianem prokariotów, oddzieliły się od
Najmniejsze genomy wolnożyjących bakte-
siebie bardzo dawno, na pewno ponad dwa,
rii mają około 1,3 Mb. Wielkość genomów
a prawdopodobnie ponad trzy miliardy lat
eukariotycznych różni się natomiast o pięć
temu (www.timetree.org). Mają one proste
rzędów wielkości, ponad dwieście tys. razy
komórki i stosunkowo niewielkie genomy,
(ich rozmiary wahają się od ok. 2,5 Mb do
odmienne od komórek eukariotycznych.
ok. 700 000 Mb)! (http://www.genomesize.
Wielkość genomów tradycyjnie mierzy się w
com/).
DRoGi eWolUCJi GenoMÓW BakTeRii i aRCHeoWCÓW
ba w ciągu kilku dni kosztem paru tysięcy
Sekwencjonowanie genomów prokario-
euro. Poza niewielkimi rozmiarami genomu,
tycznych praktykuje się od początku lat 90.,
czynnikiem ogromnie ułatwiającym sekwen-
obecnie znane są sekwencje genomów ponad
cjonowanie genomów prokariotycznych jest
dwu tysięcy bakterii i archeowców (http://
minimalna ilość powtarzalnego DNA, to zna-
www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/static/gpstat.
czy długich, liczących nawet wiele tysięcy
html). Dzięki postępowi technicznemu, meto-
par zasad bloków składających się z licznych
dom sekwencjonowania DNA nowej genera-
kopii identycznych lub prawie identycznych
cji oraz rozwojowi narzędzi bioinformatycz-
sekwencji. Powtarzalny DNA, występujący
nych, sekwencję genomu bakteryjnego może
powszechnie w genomach eukariotycznych,
obecnie uzyskać i przeanalizować jedna oso-
WiesłaW BaBik
386
utrudnia nie tyle samo sekwencjonowanie, który obejmuje obecne we wszystkich szcze-
co póz
niejsze składanie zsekwencjonowa- pach geny tzw. genomu rdzeniowego (ang.
nych fragmentów w pełną sekwencję, gdyż core genome), oraz dodatkowe geny geno-
trudno ustalić, ile razy dane powtórzenie wy- mu opcjonalnego (ang. dispensable genome),
stępuje w genomie. Ponieważ sekwencjono- obecne tylko w niektórych szczepach (Me-
wanie genomów prokariotycznych jest tak ła- Dini i współaut. 2005). Wydawało się, iż po-
twe, nagromadziła się ogromna ilość danych równanie wielu genomów prokariotycznych
porównawczych, co pozwala na szczegółową umożliwi zidentyfikowanie minimalnego ze-
analizę trendów ewolucyjnych w genomach stawu genów niezbędnych do funkcjonowa-
tych organizmów (koonin i Wolf 2008). nia żywej komórki. W miarę jednak jak liczba
Genomy bakterii i archeowców zawierają sekwencjonowanych genomów bakteryjnych
przede wszystkim kodujący DNA, to znaczy rosła, liczba genów znajdowanych we wszyst-
DNA kodujący białka, funkcjonalne RNA, ta- kich dramatycznie spadała, ulegając reduk-
kie jak rybosomalne (rRNA) czy transferowe cji do zaledwie kilkudziesięciu (laWRenCe i
(tRNA) oraz niewielką ilość DNA niekodu- HenDRiCkson 2005). Jest to wynikiem faktu,
jącego w ścisłym tego słowa znaczeniu lecz że chociaż większość, nawet ogromna więk-
zaangażowanego w regulację replikacji czy szość zsekwencjonowanych genomów zawie-
transkrypcji, jak np. sekwencje promotoro- ra dany gen, można znalez
ć jeden lub kilka
we. Ilość sekwencji niefunkcjonalnych jest genomów tego genu pozbawionych. Dalsza
minimalna, pseudogeny (niefunkcjonalne analiza pan-genomu pozwoliła na wyróż-
kopie genów, np. inaktywowane przez muta- nienie trzech klas genów: a) rozszerzonego
cje) występują bardzo rzadko, a gdy się po- rdzenia (ang. extended core), których brak
jawiają, są szybko z genomów usuwane, nie- jedynie w znikomej części genomów, b) ko-
wiele jest ruchomych elementów genetycz- dujących cechy obecne w wielu genomach
nych, introny są niezwykle rzadkie i odmien- (ang. character genes) oraz c) genów puli
ne od intronów spotykanych powszechnie u dodatkowej (ang. accessory pool), obecnych
organizmów eukariotycznych. Wiele genów, tylko w nielicznych genomach (lapieRRe i
szczególnie takich, których produkty stano- GoGaRTen 2009). Minimalną liczbę genów
wią elementy jednego szlaku metabolicznego, dla heterotroficznej komórki żyjącej na boga-
występuje w postaci operonów, czyli ciągów tej pożywce szacuje się na około 250, a naj-
genów ułożonych jeden za drugim, podlega- mniejsze znane genomy wolnożyjących bak-
jących wspólnej regulacji. terii zawierają około 1100 genów (koonin i
Porównanie pasożytniczych gatunków Wolf 2008).
bakterii z blisko spokrewnionymi wolnożyją- Kolejną obserwacją, jaką poczyniono,
cymi formami wykazało brak wielu genów w porównując kompletne genomy bakteryjne,
genomach pasożytów. Jest to wynikiem szyb- było to, że wzajemne ułożenie genów w ge-
kiej utraty takich genów, które przestają być nomie zmienia się bardzo dynamicznie, o
niezbędne, gdyż ich produkty spełniają funk- wiele szybciej niż ich sekwencje aminokwa-
cje niepotrzebne w związku z pasożytniczym sowe, co wskazuje, iż nacisk doboru natural-
trybem życia, lub też takich, których funkcje nego na utrzymanie sekwencji aminokwasów
spełniają białka gospodarza (koonin i Wolf kodowanych przez dany gen jest znacznie sil-
2008). niejszy niż na utrzymanie kolejności genów
Kolejnym zaskakującym odkryciem było w genomie. Od tej reguły są jednak pewne
stwierdzenie, w miarę jak gromadzono se- wyjątki, np. operony lub białka rybosomal-
kwencje genomów kolejnych gatunków lub ne, gdzie układ genów jest zakonserwowany
szczepów (definicja gatunku bakteryjnego ewolucyjnie. Prawdopodobnie jest to spowo-
jest nawet bardziej kontrowersyjna niż w dowane wymaganiami regulacji transkrypcji
przypadku roślin i zwierząt) (aCHTMan i Wa- i translacji. W związku z brakiem rozdziału
GneR 2008, fRaseR i współaut. 2009), iż na- transkrypcji i translacji u prokariotów, regu-
wet blisko spokrewnione bakterie, jak szcze- lacja tych procesów może pozostawiać mniej
py Escherichia coli, różnią się między sobą pola manewru niż u eukariotów, u których
dramatycznie składem genów. Wśród około transkrypcja i translacja zachodzą w różnym
6000 genów obecnych w komórkach 7 szcze- czasie i w oddzielnych przedziałach komór-
pów E. coli, wspólnych dla porównywanych kowych.
szczepów jest niecałe 3000 (aBBy i DaUBin Procesem, który w ogromnych stopniu
2007). Obserwacja ta doprowadziła do po- decyduje o kształcie genomów prokariotycz-
wstania koncepcji pan-genomu bakteryjnego, nych, jest horyzontalny (poziomy) transfer
Ewolucja genomów i powstawanie nowych genów
387
genów (HTG) (oCHMan i współaut. 2000, Poszczególne grupy bakterii różnią się
THoMas i nielsen 2005). Mianem tym okre- zdolnością do HTG, jednak proces ten jest
ślamy przekazywanie fragmentów DNA nie powszechny u prokariotów jako całości.
poprzez zwyczajne dziedziczenie przodek- Okazało się, że nie wszystkie geny są jed-
potomek, polegające na replikacji materiału nakowo  podatne na poziomy transfer.
genetycznego i przekazywaniu go komórkom Geny, które oddziałują z wieloma innymi
potomnym, nazywane również przekazem genami, oraz zaangażowane w translację
pionowym, lecz nabywanie DNA pochodzą- podlegają HTG rzadziej, a geny, których
cego od innych organizmów, nawet daleko produkty obecne są na powierzchni ko-
spokrewnionych. Istnieją trzy podstawowe mórki, geny odpowiedzialne za procesy
mechanizmy horyzontalnego przekazu DNA metaboliczne lub zaangażowanie w pato-
między komórkami. geniczność ulegają HTG częściej. Stwier-
1. Transformacja polega na pobieraniu dzono, że w wyniku horyzontalnego trans-
przez komórkę prokariotyczną nagiego DNA feru mogą być przenoszone znaczne frag-
obecnego w środowisku; pobrany DNA może menty genomu, wielkości kilkudziesięciu
następnie ulec integracji do genomu gospo- kb, zawierające wiele genów i tworzące
darza, lub też, jeżeli jest to np. plazmid, po tzw.  wyspy genomowe , np. wyspy pato-
dostaniu się do komórki może  żyć własnym genności czy symbiozy (laWRenCe i Hen-
życiem . DRiCkson 2005). Porównanie między dwo-
2. W procesie transdukcji uczestniczy ma szczepami E. coli: patogennym O157:
wektor biologiczny, zazwyczaj bakteriofag, H7 i laboratoryjnym K12, wykazało, że
pakujący do swojej otoczki nie tylko własne patogenny szczep zawierał 1387 dodat-
geny, ale też część genomu gospodarza, któ- kowych genów rozmieszczonych w kilku
ry następnie może zostać zintegrowany do grupach  wyspach o różnej wielkości.
genomu innej bakterii, zakażanej przez faga. Horyzontalny transfer genów prowadzący
3. Wreszcie możliwe jest przekazywanie do powstania wysp patogenności wydaje
materiału genetycznego między bakteriami się być związany z procesem transdukcji
w procesie koniugacji, warunkowanym przez fagowej.
plazmidy koniugacyjne.
eWolUCJa GenoMÓW eUkaRioTyCZnyCH
Genomy eukariotyczne różnią się znacznie ogoniastych i ryb dwudysznych. Istnieją na-
od prokariotycznych swoją strukturą, obec- tomiast ryby czy ptaki, a więc organizmy o
nością chromosomów zamkniętych w jądrze wysokiej w powszechnym pojęciu złożono-
komórkowym, powszechnym występowa- ści, które mają niewielkie genomy o wielko-
niem intronów, innym sposobem upakowa- ści poniżej 1 Gb. Ten brak wyraz
nej korelacji
nia DNA i wieloma innymi cechami, których między wielkością genomu a złożonością or-
omówienie można znalez
ć w podręcznikach ganizmu nazwano paradoksem wartości C (C
(np. BRoWn 2009). Genomy eukariotyczne są określa ilość DNA w jądrze haploidalnej ko-
również zazwyczaj większe od prokariotycz- mórki). Mechanistyczne wyjaśnienie znalezio-
nych, lecz zakresy wielkości zachodzą na sie- no stosunkowo szybko. Badania przeprowa-
bie dość znacznie: najmniejszy genom euka- dzone w końcu lat 60. XX w. doprowadziły
riotyczny jest około pięciu razy mniejszy od do stwierdzenia, że paradoks wartości C jest
największego prokariotycznego. Uderzające wynikiem zróżnicowania ilości niekodujące-
w porównaniu z prokariotami jest ogromne go DNA, to znaczy takiego, który nie koduje
zróżnicowanie wielkości genomów eukario- białek lub funkcjonalnych RNA. Do tej klasy
tycznych, obejmujące pięć rzędów wielkości. DNA zaliczamy zarówno introny, znajdujące
Co więcej, już w latach 60. XX w. zauważo- się w różnej obfitości w genomach wszyst-
no, iż ilość DNA w jądrze komórkowym jest kich eukariotów, jak również międzygenowy
tylko w umiarkowanym stopniu skorelowa- DNA, składający się w znacznym stopniu z
na ze złożonością organizmów. Ogromne sekwencji powtarzalnych. Istnieją doniesienia
genomy o wielkości kilkudziesięciu-kilkuset o transkrypcji ponad 60% nawet tak dużego
Gb spotykamy u wielu jednokomórkowych (2,5Gb) genomu jak mysi (CaRninCi i współ-
eukariotów o stosunkowo prostej budowie, aut. 2005), a w stosunkowo niewielkim (100
a także u niektórych skorupiaków, płazów Mb) genomie Drosophila melanogaster więk-
WiesłaW BaBik
388
szość niekodującego DNA jest stosunkowo tutaj potrzeby wchodzenia w szczegóły doty-
konserwatywna (jego tempo ewolucji jest czące klasyfikacji tych elementów (WiCkeR i
niższe niż synonimowych pozycji w genach współaut. 2007); z punktu widzenia ewolu-
kodujących białka, które uznaje się za ewolu- cji genomu istotne jest to, iż w przypadku
ujące w przybliżeniu neutralnie), co sugeru- większości elementów ruchomych transpo-
je, że jest pod wpływem doboru naturalnego zycja jest procesem replikatywnym, w nowe
i ma znaczenie funkcjonalne (anDolfaTTo miejsce w genomie wprowadzana jest kopia
2005). Jednak duże różnice wielkości geno- oryginalnego elementu, który pozostaje na
mu między blisko spokrewnionymi gatunka- swoim miejscu, a więc transpozycja prowa-
mi jak również powtarzalna natura niekodu- dzi wprost do wzrostu wielkości genomu.
jącego DNA dużych genomów, przemawiają Doskonałym przykładem jest tutaj kukurydza:
za tym, że większość niekodującego DNA w 80% jej genomu o wielkości około 2,5 Gb
dużych genomach eukariotycznych nie ma złożone jest z elementów ruchomych, do
znaczenia funkcjonalnego. W miarę jak gro- których ekspansji doszło w ciągu ostatnich
madzono informacje o strukturze genomów 5-6 mln lat (GaUT i współaut. 2000). Z rucho-
okazało się, że również liczba genów, choć mych elementów genetycznych wywodzi się
zmienna i w pewnym stopniu skorelowana również prawie połowa genomu człowieka
ze złożonością organizmów eukariotycznych, (wielkość nieco ponad 3 Gb).
waha się w dość szerokich granicach. Zasko- W przypadku eukariotów powszechnie
czenie stanowiło również odkrycie, że w ge- przyjmuje się, że horyzontalny transfer ge-
nomie człowieka znajduje się jedynie około nów  choć ważny  nie jest tak istotny
20 25 tys. genów, niewiele więcej niż w ge- jak u prokariotów (keelinG i palMeR 2008).
nomie nicienia Caenorhabditis elegans (18 Wkrótce po opublikowaniu szkicu sekwencji
tys) i prawdopodobnie mniej niż w genomie ludzkiego genomu pojawiły się doniesienia o
prostej rośliny  rzodkiewnika Arabidopsis istnieniu w nim znacznej liczby genów bak-
thaliana (25 tys). W tym kontekście zaskaki- teryjnych, co sugerowało, że poziomy trans-
wać może stwierdzenie, że największą liczbę fer genów był dość częsty w linii prowa-
genów wśród poznanych organizmów ma dzącej do człowieka. Póz
niejsze badania nie
jednokomórkowy patogen układu rozrodcze- potwierdziły jednak tych sugestii, co mogło
go człowieka Trichomonas (około 60 tys.), w spowodować niechęć badaczy do zajmowa-
którego przypadku wysoka liczba genów jest nia się zjawiskiem HTG u eukariotów. Tym
prawdopodobnie wynikiem poliploidyzacji niemniej HTG ma pewne znaczenie również
(CaRlTon i współaut. 2007). u eukariotów, choć poszczególne grupy filo-
Poliploidyzacja lub duplikacja całych ge- genetyczne różnią się bardzo w tym zakresie
nomów jest istotnym procesem w ewolucji (keelinG i palMeR 2008). Wydaje się, że HTG
genomów eukariotycznych. Można sobie ła- od prokariotów ma większe znaczenie u jed-
two wyobrazić, że kilka rund duplikacji ge- nokomórkowych eukariotów. Zasadniczą rolę
nomu może doprowadzić do szybkiego wzro- przypisuje się tutaj okazji: szczególnie dużo
stu jego wielkości oraz zwiększenia liczby HTG widzimy u organizmów żyjących w
genów. Ocenia się, iż znaczny procent roślin środowisku pełnym bakterii i żywiących się
okrytozalążkowych to poliploidy (RieseBeRG i nimi. Jak dotychczas najwięcej genów będą-
Willis 2007). Choć uważa się, iż poliploidy- cych efektem HTG od bakterii stwierdzono
zacja nie zachodzi równie często u zwierząt, u orzęsków żyjących w żwaczu przeżuwaczy
to również w ewolucji strunowców doszło i żywiących się bakteriami. Najczęściej przez
do dwu rund duplikacji genomu, które nastą- HTG przekazywane są geny związane z meta-
piły już po oddzieleniu się linii wiodącej do bolizmem, np. z metabolizmem beztlenowym,
kręgowców od linii wiodących do lancetnika co stwierdzono u żyjących w środowisku
i osłonic (pUTnaM i współaut. 2008). Oprócz beztlenowym pasożytniczych eukariotów, ta-
duplikacji całego genomu do szybkiego wzro- kich jak: Giardia, Entamoeba, Trichomonas.
stu wielkości genomów eukariotycznych Czynnikiem ograniczającym HTG jest
przyczyniają się również duplikacje fragmen- prawdopodobnie wczesne wyodrębnianie się
tów chromosomów, zwane duplikacjami seg- w cyklu życiowym linii płciowej, co może
mentowymi. tłumaczyć, dlaczego HTG zachodzi stosun-
Kolejnym czynnikiem umożliwiającym kowo rzadko u zwierząt. Poziomy transfer
szybkie zmiany wielkości genomów eukario- genów zdarza się także między eukariotami,
tycznych jest występująca w nich duża liczba jest jednak stosunkowo trudny do wykrycia
ruchomych elementów genetycznych. Nie ma ze względów techniczno-metodologicznych.
Ewolucja genomów i powstawanie nowych genów
389
Mimo to stwierdzono, że jest częsty np. u wyniku wtórnej symbiozy z innym eukario-
grzybów. Choć znane są pojedyncze przypad- tem (keelinG i palMeR 2008).
ki poziomego przekazu genów eukariotycz- Z omówienia i porównania genomów eu-
nych do bakterii, uważa się, że taki transfer kariotycznych i prokariotycznych wynika py-
jest niezwykle rzadki. Sugerowano, że spo- tanie o kluczowym znaczeniu: Co odpowiada
wodowane jest to występowaniem intronów za obserwowane zróżnicowanie wielkości
i/lub złożonej regulacji ekspresji genów eu- oraz wzorców ewolucji tych genomów? Po-
kariotycznych; możliwe jednak, że eukarioty stawiono wiele hipotez, które krótko omówię
nie mają zbyt wiele do  zaoferowania pro- poniżej. Ostatnio za najbardziej przekonującą
kariotom, biorąc pod uwagę ogromną różno- uważa się hipotezę sformułowaną przez Mi-
rodność pan-genomu prokariotycznego (ke- chaela Lyncha i współpracowników (lynCH
elinG i palMeR 2008). i ConeRy 2003, lynCH 2007), stwierdzającą,
Szczególna forma horyzontalnego prze- iż wzrost wielkości i złożoności genomu nie
pływu genów odegrała niemożliwą do prze- jest przejawem ewolucji adaptacyjnej, a więc
cenienia rolę w historii eukariotów (keelinG odbywającej się pod wpływem doboru natu-
i palMeR 2008). Chodzi tutaj oczywiście o ralnego, lecz przeciwnie  efektem słabego
przekaz genów prokariotycznych do eukario- działania doboru oczyszczającego w niewiel-
tów podczas endosymbiozy, związanej z po- kich populacjach (patrz artykuł koRony w
wstaniem organelli. Uważa się, że powstanie tym zeszycie KOSMOSU). Teoria genetyki po-
mitochondriów z alfa-proteobakterii nastą- pulacji mówi, iż mutacje o niewielkiej szko-
piło tylko raz, we wczesnych stadiach ewo- dliwości będą w małych populacjach zacho-
lucji eukariotów  wszystkie współczesne wywać się neutralnie, co oznacza, że mogą
organizmy eukariotyczne mają mitochondria utrwalić się w wyniku działania procesów
lub też wykazują oznaki ich wtórnej utra- losowych  dryfu genetycznego. Graniczny
ty (zobacz artykuł Golika w tym zeszycie współczynnik doboru jest równy odwrotno-
KOSMOSU). Również powstanie plastydów ści czterokrotności efektywnej wielkości po-
miało miejsce tylko raz, na drodze symbiozy pulacji. Prokarioty mają gigantyczne efektyw-
przodka grupy obejmującej rośliny, krasno- ne wielkości populacji, rzędu 108 (setki milio-
rosty i glaukofity z sinicą. W wyniku sym- nów). Wiele jednokomórkowych eukariotów
biozy w komórkach pierwotnych eukario- ma również duże populacje, rzędu 107, pod-
tów znalazł się niezależny genom, z którego czas gdy oszacowania efektywnej wielkości
większość genów została przeniesiona do populacji u organizmów wielokomórkowych
genomu jądrowego. Geny te kodują obecnie są rzędu 104 106. Okazuje się, iż wstawienie
białka, które transportowane są z powrotem do genomu  zbędnych fragmentów DNA,
do organelli za pomocą wyspecjalizowanych takich jak introny czy elementy ruchome,
mechanizmów. Jedynie stosunkowo nielicz- będzie najczęściej szkodliwe. Szkodliwość
ne geny pozostały w organellach, np. niemal dodatkowego DNA wynika z tego, iż mogą
wszystkie zwierzęce mitochondria zawierają zajść w nim mutacje powodujące powstanie
tylko 13 genów kodujących białka i 24 ko-  fałszywych sygnałów regulujących ekspre-
dujące funkcjonalne RNA. Proces eksportu sję genów, w przypadku intronów mutacje
genów z organelli do jądra można zaob- części sekwencji kluczowych dla ich wyci-
serwować również współcześnie (aDaMs i nania mogą zaburzyć proces składania trans-
współaut. 2000), przy czym często przenie- kryptu, a wstawienie elementu ruchomego w
sione kopie są niefunkcjonalne (Bensasson i sekwencję kodującą genu najczęściej spowo-
współaut. 2001). Jeszcze bardziej złożonymi duje inaktywację genu (lynCH 2007). Współ-
przykładami HTG są wtórne symbiozy, gdy czynnik doboru przeciw temu nadmiarowe-
posiadający plastydy eukariot znajduje się w mu DNA szacuje się na 10 8 10 6. Oznacza
komórce innego eukariota  geny jądrowe to, że w gigantycznych populacjach proka-
symbionta kodujące białka plastydowe są riotycznych dobór oczyszczający będzie efek-
wtedy przenoszone do jądra komórki gospo- tywnie usuwał nadmiarowy DNA, podczas
darza, a jądro symbionta może zaniknąć zu- gdy ten DNA będzie efektywnie neutralny
pełnie. Dzięki wtórnej symbiozie z zielenicą w populacjach organizmów wielokomórko-
plastydy nabyły eugleny, a dzięki symbiozie wych, a więc będzie gromadzić się w wyniku
z krasnorostem  kryptomonady. U bruzd- działania dryfu genetycznego, prowadząc do
nic znane są nawet symbiozy trzeciorzędo- wzrostu wielkości genomu. Nie wyklucza to
we, polegające na symbiozie z innym euka- oczywiście faktu, iż dodatkowy DNA, kiedy
riotem, który nabył plastyd już wcześniej, w już znalazł się w komórkach, mógł zostać wy-
WiesłaW BaBik
390
korzystany w procesach adaptacyjnych. Teo- thesis), na której korzyść mógłby przemawiać
ria Lyncha, aczkolwiek nadal kontrowersyjna, obserwowany silny związek między ilością
znalazła liczne grono zwolenników (koonin DNA w jądrze a wielkością komórki mówi, iż
2009). Na jej korzyść przemawia fakt, iż opar- większość niekodującego DNA odgrywa rolę
ta jest na znanych od dawna i niekontrower- strukturalną, wypełniacza zapewniającego
syjnych podstawach genetyki populacji  po utrzymanie odpowiedniego stosunku obję-
prostu, jeżeli oszacowania współczynników tości jądra komórkowego do cytoplazmy, co
doboru i efektywnych wielkości populacji może mieć znaczenie dla efektywności trans-
są poprawne, to procesy postulowane przez portu białek i RNA między cytoplazmą i ją-
Lyncha będą zachodzić. drem komórkowym; wielkość komórek, a za-
Istnieją również konkurencyjne teorie do- razem ilość DNA w jądrze komórkowym jest
tyczące przyczyn zróżnicowania ilości DNA negatywnie skorelowana z tempem metabo-
w jądrze komórkowym. Hipoteza samolub- lizmu (sZaRski 1983, koZłoWski i współaut.
nego DNA (ang. selfish DNA hypothesis) 2003). Zwrócono również uwagę, iż metabo-
sugeruje, że elementy ruchome będą zwięk- liczny i/lub czasowy koszt replikacji nadmia-
szały swoją liczbę w genomie aż do punktu, rowego DNA może prowadzić do usuwania
w którym dobór naturalny powstrzyma ich go przez dobór naturalny z populacji szybko
ekspansję; teoria ta nie tłumaczy jednak za- dzielących się komórek prokariotycznych,
dowalająco wzrostu zawartości intronów i oraz iż kierunkowa presja mutacyjna  prze-
powtarzalnych sekwencji DNA nie mających waga mutacji typu insercji może prowadzić
charakteru elementów ruchomych. Hipoteza do wzrostu wielkości genomu.
wypełniającego DNA (ang. bulk DNA hypo-
poWsTaWanie noWyCH GenÓW
ruchomych lub procesów warunkowanych
Zagadnienie ewolucji genów jest bardzo
działalnością elementów ruchomych  jak re-
obszerne i obejmuje wiele aspektów, których
nie sposób omówić czy nawet zasygnalizo- trotranspozycja. Jeżeli zduplikowany zostanie
cały gen, wraz z sekwencjami regulującymi
wać w krótkim, przekrojowym przeglądzie.
Dlatego też skupię się tutaj jedynie na me- jego transkrypcję, może on potencjalnie za-
chować swoją funkcję. Geny spokrewnione
chanizmach, jakie prowadzą do powstawania
ze sobą w wyniku duplikacji nazywamy pa-
nowych genów.
Nowe geny powstają najczęściej z ge- ralogami (genami paralogicznymi), podczas
gdy geny zajmujące to samo miejsce w chro-
nów już istniejących lub ich fragmentów.
mosomie, homologiczne między różnymi or-
Oczywistym mechanizmem prowadzącym do
ganizmami, to ortologi lub geny ortologiczne.
ich powstania jest poziomy przekaz (HTG),
omówiony powyżej. W wyniku tego proce- Geny paralogiczne ewoluują niezależnie od
momentu duplikacji, który można wyznaczyć
su organizm otrzymuje geny już  gotowe ,
na podstawie pomiaru liczby różnic, jakie
spełniające konkretną funkcję, czasem wraz
nagromadziły się między sekwencjami para-
z sekwencjami regulatorowymi. Znaczenie
logów (ich dywergencji). Uważa się, że kolej-
poziomego transferu w uzyskiwaniu nowych
ne duplikacje prowadzą do powstawania ro-
genów przez bakterie i archeowce znajduje
dzin genów  grup genów wywodzących się
odzwierciedlenie we wspomnianej wcześniej
koncepcji pan-genomu prokariotycznego. Po- w drodze duplikacji od wspólnego przodka
ziomy przekaz może być również z
ródłem no- oraz spełniających zazwyczaj zbliżone, lecz
nie identyczne funkcje. Klasycznym przykła-
wych genów u eukariotów, w ich przypadku
dem rodziny genów są globiny kręgowców.
wydaje się jednak, iż najważniejszym z
ródłem
Liczne geny zgrupowane są w rodziny o
nowych genów są zachodzące w obrębie
zróżnicowanej liczbie członków. Zarówno u
genomu procesy duplikacji (TayloR i Raes
2004). Duplikacja obejmować może fragmen- człowieka jak i u drożdży najczęstsze są ro-
ty wielkości kilku pz do części chromoso- dziny genów liczące po dwa paralogi, lecz
zdarzają się rodziny daleko liczniejsze, liczą-
mu obejmujących wiele Mb, mówimy w tym
ce ponad tysiąc paralogicznych genów, czego
przypadkach o duplikacjach segmentowych.
przykładem są geny receptorów węchowych
Może również dotyczyć całego genomu, jak
ssaków. Rodziny genów paralogicznych mogą
to omówiono powyżej. Duplikacja może być
być również wynikiem duplikacji całych ge-
ponadto efektem działalności elementów
Ewolucja genomów i powstawanie nowych genów
391
nomów. Obserwuje się bardzo różne stopnie zostanie dezaktywowana przez mutacje, ko-
dywergencji paralogów w rodzinach genów, rzystnych mutacji warunkujących nową funk-
co może sugerować ich różny wiek. W tym cję, co może doprowadzić do jej utrwalenia
kontekście należy wspomnieć o mechani- się w wyniku działania doboru naturalnego.
zmie, nazwanym ewolucją zespołową (ang. Najczęściej przyjmuje się, iż ta nowa funkcja
concerted evolution), który powoduje, że sto- upośledzałaby oryginalną funkcję genu, dlate-
pień dywergencji między paralogami może go też mutacje takie nie mogłyby się utrwalić
być minimalny mimo dawnej duplikacji (nei w genie oryginalnym. Warunki genetyczno-
i Rooney 2005). Klasycznym przykładem ro- populacyjne, w jakich dochodzi do neofunk-
dziny ewoluującej na drodze ewolucji zespo- cjonalizacji są dość restrykcyjne, co oznacza,
łowej są eukariotyczne geny rybosomalnego że powinna występować stosunkowo rzadko
RNA. Zazwyczaj geny te obecne są w geno- (lynCH 2007). Innym i jak się obecnie uwa-
mie w kilkudziesięciu-kilkuset kopiach, a ich ża, częstszym mechanizmem zachowania obu
sekwencje są praktycznie identyczne. Mecha- zduplikowanych kopii genu jest subfunkcjo-
nizmem molekularnym odpowiedzialnym za nalizacja (ang. subfunctionalization), zacho-
homogenizację sekwencji między paraloga- dząca wg mechanizmu DDC (duplikacja-de-
mi jest tutaj konwersja genów  szczególny generacja-komplementacja). Odbywa się to w
proces rekombinacji powodujący zastąpienie ten sposób, że w jednej kopii zduplikowane-
jednej sekwencji DNA drugą. Geny rRNA są go genu zachodzi mutacja, powodująca utra-
zduplikowane prawdopodobnie dlatego, że tę jednej z funkcji oryginalnego białka, co za-
ogromne ilości rRNA potrzebne są do szyb- pewnia zachowanie w stanie funkcjonalnym
kiego wytwarzania dużej liczby rybosomów drugiej kopii, w której dochodzi do utrwa-
w komórce. Natomiast ich ewolucja zespoło- lenia się innej mutacji. To z kolei powoduje
wa ma znaczenie adaptacyjne zapewniając, iż utratę funkcji, którą spełnia kopia pierwsza,
poszczególne cząsteczki rRNA będą identycz- co zapewnia zachowanie w stanie funkcjo-
ne. Ewolucja zespołowa jest niezbyt często nalnym tejże. W ten sposób obie zdupliko-
obserwowanym procesem. wane kopie stają się niezbędne, co zapewnia
Jakie mogą być losy zduplikowanych ge- ich zachowanie i umożliwia ewolucję, która
nów? Oczywiście często po duplikacji docho- może doprowadzić do powstania bardziej
dzi do utraty funkcji genu  pseudogenizacji. wyspecjalizowanych form białek spełniają-
Jeżeli duplikacja jest niepełna, zduplikowana cych odmienne nieco funkcje, co obserwuje-
kopia pozbawiona jest ważnych sekwencji re- my w wielu rodzinach białek. Trzeba zwrócić
gulatorowych lub też jeżeli w wyniku retro- uwagę, iż w gruncie rzeczy początkowe eta-
transpozycji zostanie wstawiona w nieodpo- py subfunkcjonalizacji wymagają zajścia mu-
wiednie środowisko genomowe, kopia taka tacji upośledzających funkcje białka, a więc
będzie niefunkcjonalna i od momentu swo- zjawisk, które powinny być częste. Wiele
jego powstania będzie pseudogenem (ang. danych przemawia za tym, że subfunkcjonali-
dead-on-arrival pseudogene). Jeżeli nawet po- zacja jest dominującym procesem powodują-
czątkowo zduplikowana kopia będzie funk- cym zachowanie zduplikowanych paralogów
cjonalna, to szkodliwe mutacje, które pojawią w stanie funkcjonalnym (lynCH 2007).
się w jednej z kopii zduplikowanego genu, Poza duplikacją istnieją jeszcze inne me-
doprowadzą do utraty funkcji (ang. nonfunc- chanizmy formowania nowych genów (lonG
tionalization), nieszkodliwej dla organizmu, i współaut. 2003). Geny praktycznie wszyst-
gdyż druga kopia, paralogiczna, będzie nadal kich eukariotów zawierają introny, choć ich
funkcjonalna. Tak powstały pseudogen może liczba dramatycznie różni się między grupa-
utrwalić się w wyniku działania dryfu gene- mi taksonomicznymi. Eksonowo-intronowa
tycznego w populacji. Wydaje się, że pseudo- budowa genów eukariotycznych pozwala
genizacja w wyniku jednego z omówionych na mechanizm powstawania nowych ge-
wyżej procesów jest najczęstszym losem du- nów, zwany tasowaniem eksonów. W wyni-
plikatów. W wyniku duplikacji może jednak ku rekombinacji zachodzącej w intronach
również dojść do dwu innych procesów, całe eksony mogą być przenoszone między
skutkujących zachowaniem obu zduplikowa- białkami. Ponieważ często granice eksonów
nych genów oraz powodujących powstanie odpowiadają granicom domen białkowych
genów o nowej funkcji. Pierwszym z tych  funkcjonalnych części budulcowych białek
procesów jest neofunkcjonalizacja (ang. neo-  mechanizm tasowania eksonów może pro-
functionalization), mająca miejsce, gdy jed- wadzić do wymiany całych fragmentów wa-
na ze zduplikowanych kopii nabywa, zanim runkujących określone funkcje. Ocenia się, iż
WiesłaW BaBik
392
19% eksonów w genach eukariotycznych jest Należy wreszcie wspomnieć o kombi-
wynikiem tasowania eksonów (lonG i współ- nowanych mechanizmach powstawania no-
aut. 2003). wych genów, jak jingwei u Drosophila, gdzie
Procesem, który prowadzi do wzrostu róż- prześledzenie tych mechanizmów okazało się
norodności białek bez duplikacji genów, jest możliwe i stwierdzono, iż w powstaniu tego
alternatywne składanie (ang. alternative spli- nowego genu (wiek określa się na 2 mln lat)
cing) transkryptu, polegające na tworzeniu brały udział duplikacje segmentalne, retro-
więcej niż jednego mRNA z sekwencji genu transpozycja oraz tasowanie eksonów (WanG
poprzez łączenie eksonów w różnych kom- i współaut. 2000).
binacjach (MakałoWska i współaut. 2009). Szczególny mechanizm powstawania no-
Alternatywne składanie jest częste u orga- wych genów opisano niedawno u wrotków
nizmów wielokomórkowych; ocenia się, że z grupy Bdelloidea (poUCHkina-STanTCHeva
około 75% ludzkich genów ma co najmniej i współaut. 2007). Jest to największa znana
dwie formy będące jego wynikiem. Co cieka- grupa zwierząt rozmnażająca się bezpłcio-
we, gdy gen ulegnie duplikacji, alternatywnie wo od bardzo dawna (kilkadziesiąt mln lat).
składane formy mogą być utrwalone jako pa- Konsekwencją rozmnażania bezpłciowego
ralogi (TayloR i Raes 2004). jest całkowity lub prawie całkowity brak re-
Nowe eksony genów mogą również po- kombinacji, czego efektem jest bardzo wy-
wstawać w wyniku wstawienia ruchomych soka dywergencja sekwencji między allelami
elementów genetycznych w introny; sekwen- w tym samym locus, znana jako efekt Mesel-
cje elementów ruchomych ulegają następnie sona. Okazało się, że w jednym przypadku,
mutacjom skutkującym utratą zdolności do allele tego samego genu nie tylko wykazują
transpozycji oraz wytworzeniem odpowied- wysoką dywergencję sekwencji, lecz rów-
nich sygnałów składania, które umożliwiają nież funkcjonalne zróżnicowanie. Wrotki
funkcjonowanie sekwencji wywodzącej się te są zdolne do przechodzenia w stan ana-
z elementu ruchomego jako nowego ekso- biozy, całkowitego wyschnięcia a następnie
nu. Ocenia się, że około 4% nowopowstałych powrotu do życia. Białko będące produktem
eksonów w ludzkich genach wywodzi się z jednego z alleli zapobiega podczas wysycha-
elementów ruchomych. nia organizmu tworzeniu agregatów (zło-
Połączenie dwu genów w jeden lub roz- gów) przez wrażliwe na wysychanie enzymy.
szczepienie jednego genu w dwa to również Produkt drugiego allelu nie ma natomiast ta-
procesy mogące doprowadzić do powstania kiej zdolności; wiąże się on z dwuwartstwą
nowych genów, szczególnie częste u proka- lipidową i prawdopodobnie zaangażowany
riotów. Mogły one być zaangażowane w two- jest w zachowanie integralności błon biolo-
rzenie 0.5% genów prokariotycznych (lonG i gicznych.
współaut. 2003). Przedstawione przykłady pokazują iż po-
Sekwencje kodujące mogą wreszcie po- wstawanie nowych genów odbywać się po-
wstawać de novo, np. z sekwencji introno- przez działanie wielu mechanizmów; niektóre
wych, w wyniku uzyskania przez nie odpo- z nich poznano już stosunkowo dobrze, lecz
wiednich sygnałów zapewniających właściwe w związku z błyskawicznym postępem geno-
składanie nowopowstałych eksonów. Powsta- miki porównawczej można spodziewać się
wanie sekwencji kodujących de novo dotyczy wykrycia nowych, a także jeszcze pełniejsze-
raczej nowych eksonów, a nie całych genów. go zrozumienia już znanych mechanizmów.
EVOLUTION OF GENOMES AND THE ORIGIN OF NEW GENES
S u m m a r y
Genomes of Bacteria and Archaea are extreme- ning five orders of magnitude. A relatively weak
ly compact, almost devoid of noncoding DNA. Sizes correlation between the genome size and organis-
of these  prokaryotic genomes span only two or- mal complexity in Eukaryotes, known as the C-val-
ders of magnitude and their evolution is character- ue paradox, results from interspecific differences
ized by: strong pressure for the removal of non- in the amount of noncoding DNA, composed of
functional DNA, frequent structural rearrangements introns, repetitive sequences and mobile elements.
resulting in randomization of gene order, profound The plausible explanation for the disparities be-
differences in gene content between related forms tween prokaryotic and eukaryotic genomes are the
and ubiquitous horizontal gene transfer (HGT). Ge- differences of the effective population sizes be-
nome sizes in Eukaryotes vary enormously, span- tween organisms, which affect efficiency of natural
Ewolucja genomów i powstawanie nowych genów
393
selection. The accumulation of  extra DNA is weak- is very important in this respect. In Eukaryotes du-
ly deleterious and it is efficiently removed by selec- plications, both whole genome and segmental, are
tion in huge populations of Bacteria and Archaea. of utmost importance. One copy of a duplicated
In smaller populations of eukaryotes, particularly gene most often accumulates deleterious mutations
multicellular organisms, drift overcomes selection, and becomes a pseudogene. However, sometimes
rendering this  extra DNA effectively neutral, ena- both duplicated copies are retained  one of them
bling its accumulation and consequently increase evolves a new function in the process of neofunc-
of genome size. New genes may emerge through tionalization or each copy undergoes specialization
multiple mechanisms. In bacteria and Archaea HGT in the process of subfunctionalization.
LITERATURA
aBBy s., DaUBin v., 2007. Comparative genomics laWRenCe J. G., HenDRiCkson H., 2005. Genome evo-
and the evolution of prokaryotes. Trends Micro- lution in bacteria: order beneath chaos. Curr.
biol. 15, 135 141. Opinion Microbiol. 8, 572 578.
aCHTMan M., WaGneR M., 2008. Microbial diversity lonG M., BeTRan e., THoRnTon k., WanG W., 2003.
and the genetic nature of microbial species. Na- The origin of new genes: Glimpses from the
ture Rev. Microbiol. 6, 431 440. young and old. Nature Rev. Genet. 4, 865 875.
aDaMs k. l., Daley D. o., QiU y. l., WHelan J., pal- lynCH M., 2007 The origins of genome architectur.e
MeR J. D., 2000. Repeated, recent and diverse Sinauer, Sunderland.
transfers of a mitochondrial gene to the nucleus lynCH M., ConeRy J. s., 2003. The origins of genome
in flowering plants. Nature 408, 354 357. complexity. Science 302, 1401 1404.
anDolfaTTo P., 2005. Adaptive evolution of non- MeDini D., DonaTi C., TeTTelin H., MasiGnani v., Rap-
coding DNA in Drosophila. Nature 437, 1149 pUoli R., 2005. The microbial pan-genome. Curr.
1152. Opinion Genet. Dev. 15, 589 594.
Bensasson D., ZHanG D. X., HaRTl D. l., HeWiTT G. nei M., Rooney a. p., 2005. Concerted and birth-
M., 2001. Mitochondrial pseudogenes: evolutio- and-death evolution of multigene families. An-
n s misplaced witnesses. Trends Ecol. Evol. 16, nual Rev. Genet. 39, 121 152.
314 321. oCHMan H., laWRenCe J. G., GRoisMan e. a., 2000.
BRoWn T. a., 2009. Genomy. PWN, Warszawa. Lateral gene transfer and the nature of bacte-
CaRlTon J. M., HiRT R. p., silva J. C. i współaut., rial innovation. Nature 405, 299 304.
2007. Draft genome sequence of the sexually poUCHkina STanTCHeva n. n., MCGee B. M., BosCHeT-
transmitted pathogen Trichomonas vaginalis. Ti C. i współaut., 2007. Functional divergence of
Science 315, 207 212. former alleles in an ancient asexual invertebra-
CaRninCi p., kasUkaWa T., kaTayaMa s. i współaut., te. Science 318, 268 271.
2005. The transcriptional landscape of the mam- pUTnaM n. H., BUTTs T., feRRieR D. e. k. i współaut.,
malian genome. Science 309, 1559 1563. 2008. The amphioxus genome and the evolution
fRaseR C., alM e. J., polZ M. f., spRaTT B. G., HanaGe of the chordate karyotype. Nature 453, 1064
W. p., 2009. The bacterial species challenge: ma- 1071.
king sense of genetic and ecological diversity. RieseBeRG l. H., Willis J. H., 2007. Plant speciation.
Science 323, 741 746. Science 317, 910 914.
GaUT B. s., D enneQUin M. l., peek a. s., saWkins M. sZaRski H., 1983. Cell size and the concept of waste-
C., 2000. Maize as a model for the evolution ful and frugal evolutionary strategies. J. Theor.
of plant nuclear genomes. Proc. Natl. Acad. Sci. Biol., 105, 201 209.
USA 97, 7008 7015. TayloR J. s., Raes J., 2004. Duplication and diver-
keelinG p. J., palMeR J. D., 2008. Horizontal gene gence: The evolution of new genes and old ide-
transfer in eukaryotic evolution. Nature Rev. as. Annual Rev. Genet. 38, 615 643.
Genet. 9, 605 618. THoMas C. M., nielsen k. M., 2005. Mechanisms of,
koonin e. v., 2009. Darwinian evolution in the li- and barriers to, horizontal gene transfer betwe-
ght of genomics. Nuc. Acid. Res. 37, 1011 1034. en bacteria. Nature Rev. Microbiol. 3, 711 721.
koonin e. v., Wolf y. i., 2008. Genomics of bacte- WanG W., ZHanG J. M., alvaReZ C., llopaRT a., lonG
ria and archaea: the emerging dynamic view of M., 2000. The origin of the Jingwei gene and the
the prokaryotic world. Nuc. Acid. Res. 36, 6688 complex modular structure of its parental gene,
6719. yellow emperor, in Drosophila melanogaster.
koZłoWski J., konaRZeWski M., GaWełCZyk A. T., Mol. Biol. Evol. 17, 1294 1301.
2003. Cell size as a link between noncoding WiCkeR T., saBoT f., HUa-Van a. i współaut., 2007.
DNA and metabolic rate scaling. Proc. Natl. A unified classification system for eukaryotic
Acad. Sci. USA 100, 14080 14085. transposable elements. Nature Rev. Genet. 8,
lapieRRe p., GoGaRTen J. p., 2009. Estimating the size 973 982.
of the bacterial pan-genome. Trends Genet. 25,
107 110.