新基因更有可能以完全成熟的形式出現(xiàn)在進(jìn)化階段，而不是通過“原始基因”的連續(xù)階段逐漸形成，這些基因在幾代人中變得越來越精致。這是由亞利桑那大學(xué)的Benjamin Wilson和Joanna Masel領(lǐng)導(dǎo)的研究結(jié)果令人驚訝的結(jié)果，該研究由科學(xué)期刊Nature Ecology&Evolution于4月24 日發(fā)表在線發(fā)表。

進(jìn)化生物學(xué)家長期以來一直關(guān)注新基因的來源問題，這會(huì)產(chǎn)生雞蛋和雞蛋問題。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，新基因 - 編碼蛋白質(zhì)分子的DNA序列- 通過重復(fù)和分歧從現(xiàn)有基因進(jìn)化而來。當(dāng)DNA復(fù)制機(jī)制意外地留下特定基因的額外拷貝時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。天然發(fā)生的突變隨后引入改變DNA序列的變化，使得新基因具有先前在生物體譜系中未發(fā)現(xiàn)的功能。

其他研究人員以前的研究表明，新的基因也來自非編碼DNA序列，通過原始的“原基因”，經(jīng)過幾代人的精制，產(chǎn)生了一種“成人”的全功能基因。

基于非編碼DNA序列可能產(chǎn)生高度有序蛋白的事實(shí)，Masel和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)相反的可能性更大。蛋白質(zhì)由鏈接在一起形成所謂多肽的氨基酸組成，傾向于折疊成三維結(jié)構(gòu)，其范圍從簡單到令人難以置信的復(fù)雜。雖然“有序”可能聽起來像是一件好事，但馬塞爾很快就指出，健康劑量的疾病是成功的關(guān)鍵，因?yàn)樵谶M(jìn)化過程中會(huì)出現(xiàn)新的基因作為新蛋白質(zhì)的藍(lán)圖。

在研究中，研究人員匯編了從酵母和小鼠數(shù)據(jù)庫下載的全基因組DNA序列的數(shù)據(jù)。

“我們采用所有已知的小鼠基因和酵母基因，并對(duì)所有已測序的內(nèi)容進(jìn)行查詢，并查看它們與之相關(guān)的內(nèi)容，”生態(tài)與進(jìn)化系教授，UA BIO5研究所成員Masel解釋道。 ，“并在此基礎(chǔ)上，我們?yōu)槊總€(gè)基因分配一個(gè)告訴我們何時(shí)出生的年齡。”

在下一步中，該團(tuán)隊(duì)使用統(tǒng)計(jì)分析創(chuàng)建一個(gè)模型，揭示每個(gè)基因產(chǎn)品中存在的平均順序度。

“我們發(fā)現(xiàn)最年輕的基因是所有基因中排序最少的，如果你產(chǎn)生一個(gè)基因，這就是你期望得到的，”馬塞爾說。

蛋白質(zhì)可以為其生物體提供有用功能而不傷害它的關(guān)鍵是可溶性區(qū)域之間的健康混合物，因?yàn)樗鼈冇捎H水性或“喜水”氨基酸組成，并且由于它們不可溶疏水的或“防水的”氨基酸。

如果一種蛋白質(zhì)由太多喜愛水的氨基酸組成，它將基本上保持展開狀態(tài)，漂浮在細(xì)胞內(nèi)部，作為無法完成生物任務(wù)的無組織鏈。如果它的長度太多是防水的，那么氨基酸會(huì)聚集在一起，使蛋白質(zhì)無法使用，甚至是危險(xiǎn)的，因?yàn)楫?dāng)這種錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)相互碰撞時(shí)，它們往往會(huì)相互粘連并積聚。

“現(xiàn)在想想我們所知道的最有序的蛋白質(zhì) - 淀粉樣蛋白，”Masel說，指的是阿爾茨海默病患者大腦中發(fā)現(xiàn)的臭名昭著的蛋白質(zhì)堆。“因此，任何前瞻性基因的首要任務(wù)是：'不要傷害。不要誤導(dǎo)。'”

這對(duì)來自非編碼DNA序列的新基因的進(jìn)化具有深遠(yuǎn)的意義。因?yàn)檫@些序列可能產(chǎn)生高度有序的蛋白質(zhì)，所以它們可能對(duì)生物體有害。在這種情況下，任何預(yù)期的新基因必須從某種“超基因”開始，而不是“原基因”。它不是在基因庫中首次作為一種未經(jīng)定義的基因與其編碼的非編碼DNA序列有很多相似之處，而是編碼的蛋白質(zhì)必須以高于平均程度的病癥開始，才能在進(jìn)化前證明自己。允許它成為基因庫的永久成員。

“不再逐漸努力建立更多的親水區(qū)域，年輕的基因從更加親水和無序的區(qū)域向更疏水的區(qū)域發(fā)展，”Masel說。“換句話說，當(dāng)涉及到結(jié)構(gòu)性疾病時(shí)，如果它是'額外基因樣'，那么多肽出生的可能性最高，而不是'類似基因'。”

另一方面，基因可能來自隨機(jī)的非編碼序列(也稱為“垃圾DNA”)的概率曾被認(rèn)為可以忽略不計(jì)，基于這樣的前提：在絕大多數(shù)情況下，隨機(jī)序列弊大于利。在這里討論的研究的共同作者之一拉菲克·尼姆(Rafik Neme)在同一期刊中提出了第二篇論文，這可能并非如此。Neme目前是紐約哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的博士后研究員，他發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，即非編碼，“沉默”的DNA片段就是其中之一。

“直到現(xiàn)在，沒有人知道隨機(jī)序列是否會(huì)立即產(chǎn)生影響功能的效果，或者功能是否會(huì)隨著時(shí)間的推移慢慢獲得，”Neme說。“它類似于隨意進(jìn)行猴子打字的想法，并期望它能產(chǎn)生有意義的作品。”

Neme的實(shí)驗(yàn)表明，許多序列立即表現(xiàn)出相關(guān)的活動(dòng)，有些好，有些不好。反過來，這表明非基因和基因之間的離散過渡，并且有利于某些序列和功能而不是其他基因。

根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，Neme和Masel指出，基因誕生的池可能比人們預(yù)期的更有利于分娩新基因。

“在我們的情景中，一個(gè)基因前體將是一個(gè)碰巧被翻譯成蛋白質(zhì)但有時(shí)沒有功能的轉(zhuǎn)錄本，”她說。“這些東西一直在進(jìn)化中出現(xiàn)，并且突變會(huì)迅速破壞它，除非該多肽為生物體提供了一些優(yōu)勢。自然選擇可以作用于或者沒有，所以我們不會(huì)認(rèn)為可能存在的基因會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。“

這反過來表明基因誕生是一種突然的過渡，而不是涉及許多中間步驟的漸進(jìn)過程。