Mehanizmi evolucije genoma

Genomi - prvih 10 milijardi godina

Smatra se da je svemir nastao pre oko 14 milijardi godina u tzv. "velikom prasku". Nakon 4 milijarde počelo je izdvajanje galaksija, a Sunčev sistem oformljen je pre oko 4,6 milijardi godina. Zemlja je u početku bila prekrivena vodom. Upravo u ovom praokeanu pojavili su se prvi biohemijski sistemi i ćelijski život započeo je pre nastanka kopna (pre oko 3,5 milijardi godina). Ali, stadijum ćelije predstavlja relativno kasni nivo biohemijske evolucije. Njemu su prethodili samo-replikujući polipeptidni molekuli- preci prvih genoma.

Praokean je imao sličan sastav soli kao i današnji okeani, ali se Zemljina atmosfera, a stoga i rastvoreni gasovi u vodama, veoma razlikovala. Kiseonika je bilo veoma malo u vazduhu sve do pojave fotosinteze, ali je metana i amonijакa bilo u izobilju. U ovakvoj smeši moglo je doći do hemijskih sinteza nekih proteinogenih aminokiselina kao što su alanin, glicin, valin. Takođe su formirani cijanovodonik i formaldehid koji su u narednim reakcijama dali purine, pirimidine i neke šećere.

Dakle, nastali su neki od činilaca biomolekula koji su se dalje polimerizovali. Ne zna se tačan mehanizam geohemijskih procesa koji je doveo od slučajno grupisanih biomolekula do uređenih skupova koji omogućavaju odvijanje životnih funkcija. Ali, praokean je mogao sadržati 1010 biomolekula po litru i sve se moglo odvijati milijardama godina, pa se ni najneverovatniji scenario ne može odbaciti.

Osnovnu teškoću predstavljala je činjenica da polinukleotidi i polipeptidi moraju funkcionisati tako da stvaraju samoreproduktivne biohemijske sisteme. Proteini treba da katališu reakcije, a ne mogu se samoreplicirati. Polinukleotidi određuju sintezu proteina i imaju mogućnost samoreplikacije, ali se mislilo da ne mogu raditi bez pomoći proteina. Kako nijedan među-nivo nije ustanovljen, ispostavilo se da bi biohemijski sistemi morali da se aktiviraju potpuno oformljeni od slučajnog skupa biomolekula.

Glavni preokret desio se sredinom '80.godina kada je otkriveno da RNA ima katalitičku funkciju. Danas je poznato da ovi tzv. "ribozimi" učestvuju u više tipova biohemiskih reakcija: sinteza peptidnih lanaca (rRNA komponenta ribozoma); sinteza, razdvajanje i kopiranje drugih RNA (RNA-aze); samo-razdvajanje i dr. Ovo oktkriće ukazalo je na mogućnost zasnivanja prvih biohemijskih sistema u potpunosti na RNA. Sada se može predočiti da su se RNA molekuli u početku replicirali sporo i na slučajan način jednostavno se ponašajući kao šabloni za vezivanje komplementarnih nukleotida koji su se polimerizovali spontano.

Ovaj neprecizan proces vodio je stvaranju veoma različitih RNA, od kojih su se prirodnom selekcijom izdvojile one najefikasnije sposobne da regulišu svoju, tačniju samoreplikaciju. Veća preciznost omogućila je povećanje dužine molekula bez gubljenja specifičnosti sekvenci, što je doprinelo usavršavanju katalitičke mogućnosti. Ovaj molekul koji je imao osobinu samoreplikacije i mogao katalitisati jednostavnije biohemijske reakcije ipak se još uvek ne može nazvati genomom. Tačniji izraz za ove RNA bio bi "protogenom". Prve strukture nalik ćeliji nastale su kada je protogenom obuhvaćen lipidnom membranom pri čemu je stvorena zatvorena sredina u kojoj su se reakcije mogle bolje kontrolisati.

Prelaz iz RNA u DNA svet

Pri razvoju RNA u DNA svet prva velika promena bila je zamena ribozima proteinskim enzimima koji su efikasnije vršili katalitičku funkciju iz nekoliko razloga:

• 20 A.K. pruža veću varijabilnost od 4 ribonukleotida što omogućava katalizu šireg spektra reakcija.
• polipeptidi su mnogo fleksibilniji od RNA.
• RNA su hidrofilne i potrebni su im hidrofobni omotači za prolaz kroz membranu, dok su proteini hidrofobni.

Ne zna se da li su sami ribozimi postali kodirajući molekuli ili su učestvovali u sintezi novih, ali je 2. teorija prihvatljivija.

Sledeća promena bila je nastanak DNA od RNA. RNA je kao kodirajući molekul bila nestabilna usled posedovanja 2'-OH grupe. Redukcijom ribonukleotida nastali su deoksiribonukleotidi koji su polimerizovani reverznom transkripcijom.

Zamena uracila timinom (metilovanim derivatom) doprinela je većoj stabilnosti, a mogućnost popravljanja grešaka kopiranjem komplementarnog lanca podstakla je usvajanje dvolančanog DNA kao kodirajućeg molekula. Prvi DNA –genomi sastojali su se od mnogo pojedinačnih molekula pri čemu je svaki bio ekvivalent jednom genu jer je određivao jedan protein. Kasnije je došlo do spajanja u prve hromozome, radi efikasnije distribucije tokom ćelijske deobe.

Prapočeci?

Na osnovu eksperimentalnih simulacija i kompjuterskih modela došlo se do zaključka o mogućnosti da su se početne faze u biohemijskoj evoluciji odigrale nekoliko puta paralelno u praokeanu ili atmosferi rane Zemlje.

Sa druge strane, upadljive sličnosti osnovnih molekularnih i biohemijskih mehanizama prokariotske i eukariotske ćelije upućuju na jedinstveno poreklo. Takođe, genetski kod (iako ne univerzalan) praktično je isti u svim proučavanim organizmima, mada ne postoji biološki razlog zašto ma koji određeni triplet nukleotida kodira baš određenu aminokiselinu. Da su organizmi u svom razvoju imali više od jednog porekla, moralo bi se predvideti dva ili više različitih kodova. Moguće je da je postojalo više prapočetaka, ali da se sadašnji život razvio iz samo jednog. Iz onog koji je prvi imao mogućnost sinteze proteinskih enzima i usvajanja DNA genoma, takve ćelije brže su se umnožavale i ovaj je sistem predominirao. Treba pomenuti mogućnost da su neki drugi informacioni molekuli prethodili RNA u najranijem periodu biohemijske evolucije. Npr. eksperimentalno je sintetisana PNA (peptid-nukleinska kiselina), koja umesto šećerno-fosfatne ima amidnu osnovu lanca, i mogući je prethodnik RNA kao protogenom u prebiotičkoj supi.

Sticanje novih gena

Slika1 Sticanje novih gena

Na osnovu fosilnih nalaza, došlo se od zaključka da su se pre oko 3,5 milijardi godina biohemijski sistemi razvili do nivoa strukture prokariotske ćelije, pre oko 1,4 milijarde postojali su eukariotski organizmi, a višećelijski oblici pojavili su se pre oko 0,9 milijardi godina.

Morfološku evoluciju pratila je evolucija genoma. Pojam "evolucija" ne treba izjednačavati sa "progres", ali se ne može poreći da idući ka evolutivno razvijenijim organizimima kompleksnost genoma raste. Jedan od pokazatelja ove kompleksnosti je i broj gena, koji varira od manje od 1000 kod nekih bakterija, do preko 30.000 kod viših kičmenjaka. Medjutim, genom čoveka je oko 230 puta manji od genoma jedne vrste amebe (Amoeba dubia). Dok kod najmanjih prokariota kao što je Mycoplasma genitalium postoji oko 500 gena, što je kako se smatra blizu minimalnog broja gena koji je neophodan za održavanje samostalnog života ćelije.

Broj gena kod prokariota se neprekidno menja (slika 1). U genome mnogih prokariota često se ugrađuje DNA drugih organizama. Ovi nizovi nukleotida se zadržavaju u genomima ukoliko sadrže korisne gene. Kod bakterija novi geni mogu nastajati duplikacijama postojećih gena. Ukoliko se neka bakterija nađe u novim uslovima životne sredine, može doći do selektivnog gubitka nekog gena. Tako da na veličinu genoma kod bakterija utiču kako pojave novih, tako i gubitak starih gena.

Dva su osnovna načina na koja genom stiče nove gene:

• duplikacija nekih ili svih gena u genomu,
• sticanje gena od drugih vrsta,

i oba su veoma važna za evoluciju genoma.

Duplikacije

Tri osnovna tipa: 1 celog genoma, 2 jednog hromozoma ili dela hromozoma, (tzv. aneuploidija) 3 jednog gena ili grupe gena

• Druga mogućnost- duplikacija jednog hromozoma ili dela hromozoma može se odbaciiti kao važan faktor u evoluciji genoma. Naime, danas je veoma poznato da ovakve pojave- aneuploidije dovode do narušavanja ravnoteže genskih produkata, te često imaju letalan ishod, ili uzrokuju različita oboljenja.

• Najbrže se povećanje broja gena postiže duplikacijom čitavog genoma. To se može desiti usled greške pri mejozi kada dolazi do nerazdvajanja novonastalih hromozoma posle replikacije DNA što vodi stvaranju diploidnih gameta, koji spajanjem daju zigot koji je poliploidan, tzv. " autopoliploid".

Ova pojava česta je kod biljaka, i takve jedinke mogu se među sobom oploditi ali pri ukrštanju sa roditeljem (divljim oblikom) dobilo bi se sterilno potomstvo. Kako se različitim vrstama obično definišu organizmi koji pri reprodukciji ne daju plodno potomstvo, to kod biljaka autopoliploidia vodi specijaciji. Kod životinja, ova pojava je manje uobičajena. Autopoliploidija ne vodi direktno ekspanziji gena, jer je inicijalni produkt organizam koji jednostavno ima dodatne kopije postojećih gena, ali ne i nove gene. Ipak , predstavlja potencijal, jer ovi "ekstra" geni nisu esencijalni za ćeliju i mogu podleći mutacijama a da to ne nanese štetu organizmu. U mnogim slučajevima, rezultujuće promene u sekvenci nukleotida su štetne i daju neaktivan tzv. pseudogen ali povremeno se javljaju mutacije koje vode novim funkcijama gena koje su korisne za ćeliju. Teško je pronaći dokaze za duplikaciju celog genoma. Mnoge kopije gena raspadaju se u pseudogene nevidljive u sekvenci DNA. One koje se zadržavaju (jer su njihove duplicirane ili nove funkcije korisne za organizam), mogle bi se identifikovati ali je teško razlikovati da li su nastale duplikacijom celog genoma ili pojedinačnih gena. Neophodno je pronaći setove dupliciranih gena po istom redosledu, ali stepen njihove vidljivosti u genomu zavisi od učestalosti rekombinacija koje su pomerale gene na nove pozicije.

• Ipak, za porast u broju gena primarno su zaslužne duplikacije pojedinačnih gena ili malih grupa gena. To je potvrđeno sekvencioniranjem DNA kada su otkrivene porodice multigena. Poredeći sekvence članova porodice, moguće je pronaći duplikacije gena koje su učestvovale u evoluciji (razvoju) porodice od 1 gena u predačkom genomu.

Postoji nekoliko mehanizama za odigravanje ovakvih duplikacija:

• nejednak krosingover koji rezultira duplikacijom segmenata DNA u jednom od produkata (slika 2)

Slika2

• nejednaka razmena između hromatida (slično, samo u okviru 1 hromozoma) (slika 3),

Slika3

• tzv. amplifikacija (" pojačanje") DNA – duplikacija gena haploidnih organizama uzrokovana nejednakom rekombinacijom između dve ćerke DNA pri replikaciji (slika 4),

Slika4

• replikativno "proklizavanje " (slippage) – duplikacija kratkih gena (ponovljive sekvence- mikrosateliti).

Primarni rezultat duplikacije gena su dva identična gena. Jedan od njih zadržava originalnu sekvencu nukleotida i nastavlja da određuje proteinske funkcije kao i pre duplikacije. Drugi stoga može da pretrpi određene mutacije. Većina su štetne i inaktivišu ga, ali neke rezultuju pojavom nove funkcije, često korisne za organizam. Svi geni koji pripadaju nekoj grupi ponovljenih nizova u genomu nazivaju se genskom familijom ili multigenskom familijom. Dakle, multigenska familija predstavlja grupu slicnih gena koji su nastali duplikacijama od zajedničkog (predačkog) gena, koji najčešće imaju slične funkcije. Broj gena u familiji može da varira u širokim granicama-od dve do više stotina kopija. Multigenske familije nađene su kod svih eukariota. Kod čoveka oko 40% gena koji kodiraju proteine su članovi neke multigenske familije. Na primer- globinska superfamilija kod ljudi sastoji se od tri familije: mioglobinske (na hromozomu 22), α-globinske (na hromozomu 16) i α-globinske (na hromozomu 11). Ove tri familije kontrolišu sintezu dva tipa funkcionalnih proteina: mioglobina i hemoglobina, koji su međusobno divergirali pre oko 600-800 miliona godina. U odnosu na funkciju, mioglobin je evoluirao ka višem afinitetu prema kiseoniku, dok su funkcije hemoglobina postale raznovrsnije. Hemoglobin, kod ljudi i većine kičmenjaka, sastavljen je od dva tipa proteinskih lanaca. Jedan tip je određen α-familijom gena, a drugi članovima α-familije, koji su divergirali posle duplikacije gena pre oko 450-500 miliona godina (slika 5).

Slika5

Najupadljiviji primer su tzv. homeotični selektorski geni koji određuju anatomsku organizaciju kod životinja. Naime, kod Drosophila postoji jedna grupa ovih gena, tzv. HOM-c. Smatra se da je grupa nastala serijom duplikacija počev pre milijardu godina od 1 predačkog gena i da sada svaki od njih određuje identitet drugog segmenta u anatomiji voćne mušice. Kičmenjaci, pak, imaju četiri grupe tzv. HOX-gena, pri čemu svaka predstavlja kopiju grupe gena Drosophila (sa sličnim sekvencama gena na ekvivalentim pozicijama.) Dodatne grupe ovih gena doprinose na kompleksnosti telesne organizacije. Ovo potvrđuje i činjenica da amfioksus koji ima primiitivne odlike kičmenjaka ima dve HOX grupe, kolouste imaju 2-3, dok kicmenjaci sa vilicom (od riba do čoveka) imaju najmanje 4 grupe na razlicitim hromozomima. Duplikacija gena nije uvek praćena divergencijom sekvenci i evolucijom grupe gena sa različitim funkcijama, neke multigene porodice sastoje se od istih ili sličnih sekvenci. Npr. gena za rRNA- Mycoplazma genitalium ima svega 2 kopije, a npr. Xenopus laevis 500 kopija, pri čemu sve kopije imaju praktično iste sekvence. Ovo povećanje broja kopija, međutim, vodi između ostalog i bržoj sintezi genskih produkata u određenim stadijumima ćelijskog ciklusa. U ovakvim genskim porodicama postoje mehanizmi za zaštitu od mutacija pa i od promene funkcije, što je poznato kao "usaglašena evolucija". Međutim, ako jedna kopija porodice stekne korisnu mutaciju, onda je moguće i njeno širenje, te ona zahvata sve članove porodice. To se postiže tzv. konverzijom gena- jedan genski alel preobraća se u drugi (B->b). Ovo je posebno značajan mehanizam koincidentne evolucije u multigenskim familijama.

Duplikacije unutar gena

Nove proteinske funkcije ne stiču se samo stvaranjem novih gena duplikacijom praćenom mutacijom, već evolucija genoma uključuje i preraspodelu postojećih gena. Ovo je omogućeno činjenicom da se većina proteina sastoji od strukturnih domena pri čemu svaki uključuje segment polipetdidnog lanca, te su kodirani ograničenom serijom nukleotida (slika 6).

Slika6

Do preraspodele dolazi upravo među genima koji kodiraju ove domene, što može dovesti do novih proteinskih funkcija na dva načina:

• duplikacija domena
• kombinovanje domena (domain shuffling).

Duplikacija domena odnosi se na unutargensko udvajanje koje dovodi do povećanja ili elongacije gena. Produžavanje gena na ovaj način značajno je sa evolucionog aspekta. Ponavljanje određenih strukturnih domena proteina može doprineti njihovoj stabilnosti. Ukoliko duplicirana sekvenca gena mutira to vodi promeni strukture određenog domena i protein dobija novu funkciju (slika 7).

Slika7

Kombinovanje domena dešava se kada se kodirajući segmenti različitih gena spoje, formirajući novu sekvencu koja određuje protein sasvim drugačijih strukturnih odlika koji može doprineti potpuno novoj biohemijskoj funkciji ćelije (slika 8).

Slika8

Oba ova mehanizma podrazumevaju razdvojenost genskih segmenata, te idu u prilog mišljenju da egzoni kodiraju strukturne domene proteina. Primer za duplikaciju domena je α2 tip I gena za kolagen kičmenjaka, koji kodira 1 od 3 polipeptidna lanca kolagena. Svaki od ova tri polipeptida sadrži visoko ponovljivu sekvencu glicin-prolin- hidroksiprolin. α2 tip I gen podeljen je u egzone koji kodiraju setove tripeptidnih ponovaka. Ovaj gen mogao je nastati duplikacijom egzona koja je vodila ponavljanju struktrurnih domena. Početni korak bila je duplikacija jednog kratkog niza nukleotida za kojom su sledile duplikacije blokova tih ponovaka. Primer za kombinovanje domena je TPA (tissue plasminogen activator)- aktivator tkivnog plazminogena- protein koji učestvuje u zgrušavanju krvi kod kičmenjaka. Gen za TPA ima četiri egzona od kojih svaki kodira drugi strukturni domen. Jedan egzon kodira "finger module" koji omogućava vezivanje TPA za fibrin koji ga aktivira i ovog egzona nema u genima za srodne proteine koje ne aktivira fibrin. Drugi egzon određuje domen za faktor rasta, očigledno dobijen od gena za epidermalni faktor rasta, koji omogućava da TPA stimuliše proliferaciju ćelija. Ostala dva egzona dobijena su od gena za plazminogen i kodiraju strukturu sa važnom ulogom u zgrušavanju (slika 9).

Slika9

α 2 tip I kolagen i TPA su tako jasni primeri za evoluciju gena, ali ove veze između egzona i strukturnih domena kod ostalih gena nisu tako očigledne. Ovi mehanizmi se svakako odvijaju, ali često manje precizno i bez rezultujuće funkcije. Naime, kod nekih gena postoji podudarnost između egzona i strukturnih domena i tada duplikacija egzona dovodi do odgovarajuceg ponavljanja strukturnih oblasti. U mnogo većem broju slučajeva, međutim, između proteinskih oblasti i egzona postoji znatno slozeniji odnos.

Sticanje novih gena od drugih vrsta

U procesima razmnožavanja (bespolnog ili polnog) genetički materijal roditelja se predaje potomstvu tzv. "vertikalnim" ("normalnim") prenošenjem. Međutim, postoje mehanizmi prenošenja genetičkog materijala sa jednog genoma na drugi, a da pri tome ne postoji ni jedan poznat tip odnosa "roditelj-potomstvo". Taj proces naziva se "horizontalno" prenošenje gena. Kada se porede sekvence bakterijskih genoma može se zaključiti da je glavni događaj u evoluciji prokariotskog genoma bio upravo horizontalni transfer gena. Nekolliko je različitih mehanizama kojima se može vršiti ovaj transfer među prokariotama, no diskutabilna je njihova evolutivna važnost. To su konjugacija, transformacija i transdukcija.

• konjugacija-koja se odigrava putem neposrednog kontakta dve ćelije- jedne koja predaje drugoj geneticki materijal. Omogućava plazmidima da s kreću među bakterijama i ovaj transfer je danas važan jer se njime geni za otpornost na antibiotike šire kroz bakterijske populacije. Geni preneti konjugacijom mogu se integrisati u genom nove bakterije, ali su nosioci obično transpozoni što znači da je proces reverzibilan i stoga ne mora uzrokovati permanentne promene genoma.
• transformacija-uzimanje slobodnih molekula DNA iz životne sredine. Čini se da je evolutivno značajnija, jer se može odigrati među ma koja dva prokariotska organizma, a ne samo među bliskim srodnicima kao kod konjugacije. Mada samo neke bakterije iz rodova Bacillus, Pseudomonas i Streptococcus imaju efikasne mehanizme za usvajanje DNA iz sredine koja ih okružuje, ali nivo efikasnosti irelevantan je kada se posmatra evolutivna vremenska skala.
• transdukcija- koja se odigrava posredstvom bakterijskih virusa (bakteriofazi).

Dok je horizontalno prenošenje gena između eukariotskih ćelija različitih vrsta vrlo retko i taj mehanizam nije imao značajnu ulogu u evoluciji eukariota. Kod biljaka, novi geni mogu se steći i u procesu alopoliploidije, koji se može posmatrati kao kombinacija duplikacije genoma i interspecijskog transfera gena. Naime, pojava podrazumeva ukrštanje jedinki različitih vrsta, pri čemu roditelji poseduju slične genome ali i neke nove gene ili alele. Dobija se plodno, hibridno potomstvo. Pojava je česta kod biljaka.

Kod životinja je teško pronaći jasne dokaze o horizontalnom transferu gena ma koje vrsrte. Ipak, postoje retrovirusi koji prenose životinjske gene među individuama iste vrste. Poznata je još jedna vrsta eukariotskih mobilnih elemenata tzv. P-elementi koji se šire među jedinkama raznih vrsta Drosophila. Analize velikog broja prirodnih i laboratorijskih populacija su pokazale da su se P-elementi raširili veoma brzo (za oko pola veka) u vrsti D. Melanogaster, a izgleda da su dospeli u ovu vrstu putem horizontalnog prebacivanja iz D. Willistoni.

Nekodirajuća DNA i evolucija genoma

Kako kodirajuća DNA čini svega 1,5% ljudskog genoma, pri proučavanju evolucije genoma pažnja se mora posvetiti i nekodirajućim delovima DNA. Problem je u tome što je glavna karakteristika događaja koji se odnosi na ove delove- slučajnost. Ipak, transpozoni i introni su činioci nekodirajuće DNA kod kojih se ne odvija sve na slučajan način, stoga su upravo ovi elementi važni u evoluciji genoma.

Transpozoni

Predstavljaju evolutivno značajnu grupu mobilnih genetičkih elemenata. To su nizovi nukleotida DNA koji menjaju svoje mesto u genomu, gde se nazivaju transpozabilni (premeštajući) elementi. Transpozoni pored gena koji su neophodni za njihova premeštanja imaju i jedan ili više gena koji kodiraju neke druge funkcije. Kretanje transpozona sa jednog na drugo mesto može uticati na evoluciju genoma tako što sa sobom ponesu susedni deo DNA. Ali od njihove transpozonske aktivnosti evolutivno je značajnija mogućnost da iniciraju rekombinaciju. Bilo da se ona odvija između dva dela istog hromozoma, ili između različitih hromozoma, vodiće preraspodelama u genomu. Uglavnom, su one štetne jer vode gubitku važnih gena, ali zapaženi su i slučajevi sa povoljnijm rezultatima. Transpozoni mogu učestvovati i u regulaciji eskpresije gena tako što se ubacuju između aktivatora i RNA polimeraze, ili njihovo umetanje na određenom mestu dovodi do izmena prilikom splajsinga.

Poreklo introna

Postoje dva osnovna tipa introna:

• samoisecajući (self-splicing) koji se dele na grupu I i grupu II i
• GU-AG (splajsozomski ili jedarni).

Smatra se da je grupa samoisecejućih introna nastala još u tzv. RNA svetu i preživela bez većih izmena. Ali, tzv. GU-AG introni koji su pronađeni u mnogim eurokariotksim genomima predstavljaju problem i o njihovom nastanku vode se debate još od kada su pronađeni.

Naime, postoje dve oprečne hipoteze:

• "rani introni" tvrdi da su introni veoma stari i da su se postepeno gubili iz genoma,
• "kasni introni" kaže da su se introni razvili relativno skoro i da se postepeno nakupljaju u genomu.

HIPOTEZA RANOG INTRONA (INTRONS EARLY) - najuverljiviji dokaz za ovu teoriju je tzv. "egzonska teorija gena" koja kaže da su introni nastali sa nastankom DNA, ubrzo nakon svršetka RNA sveta. Jer ovi genomi su se sastojali od mnoštva kratkih gena, od kojih je svaki nastao od pojedinih RNA i svaki kodirao mali polipeptidni segment. Ovi su se polipeptidi morali spojiti u proteine da bi nastali enzimi sa efikasnim katalitičkom funkcijom. Stoga su se minigeni koji ih kodiraju morali preraspodeliti i postaviti jedan do drugog, te su od njih postali egzoni, a od sekvenci DNA između njih nastali su introni. Ono što ne ide u prilog ovakvoj teoriji je činjenica da bakterije nemaju GU-AG introne u svom genomu, što bi moralo značiti da su se kod njih izgubili u ranom stadijumu evolucije. Teško je zamisliti kako je tako veliki deo DNA mogao nestati bez štetnih posledica, (gubljenja kodirajućih delova ili mutacija koji bi vodili inaktivaciji).

HIPOTEZA KASNOG INTRONA (INTRONS LATE) -izbegavaju ovaj problem pretpostavljajući da geni u početku nisu imali ove introne, već su se oni vremenom razvili iz tzv. grupe II samoisecajucih introna (kojima su slični) i postepeno umnožavali. Takođe je moguće da su GU-AG introni zaista nastali od introna iz grupe II, ali u veoma ranim stupnjevima evolucije, stoga ni II teorija ovim nije dokazana. Zapravo, ni jedna od hipoteza nema jasnih dokaza. Zapaženo je da je kod nekih vrsta došlo do gubitka, a kod drugih do usvajanja intrtona što se uklapa u obe suparničke hipoteze. Jedan od prilaza je da se dovedu u vezu egzoni sa strukturnim domenima proteina, kao u introns early hipotezi. Primer su globin proteini kičmenjaka. Naime, u α i β lancima hemoglobina kičmenjaka 4 proteinska domena (F1-F4) imaju sledeći odnos prema egzonima: F1-egzon 1, F2+F3- egzon 2, F4- egzon 3. Na osnovu tog odnosa predviđeno je postojanje introna između F2 i F3 predačkog globinskog gena. Nalaz trećeg introna, na tačno predviđenom mestu u genu za leghemoglobin kod soje, najčešće se navodi kao potvrda hipoteze o ranom intronu. Nažalost, što je više gena za globin sekvencionirano to je više introna otkriveno i većina nije odgovarala prostorima između domena. Mada se, tokom evolucije, nizovi nukleotida unutar introna brzo menjaju, njihova pozicija unutar gena je relativno nepromenljiva. Uporedna analiza položaja velikog broja introna unutar gena životinja, biljaka i gljiva pokazala je da oko 15 introna ovih organizama ima istu poziciju unutar gena. Ovaj podatak mogao bi da znači da su ti introni bili prisutni u genima pre razdvajanja eukariota na gljive, biljke i životinje.

Dakle, savremeni podaci ukazuju da je većina GU-AG (jedarnih) introna novijeg porekla, što ide u prilog hipotezi kasnog introna. Ali postavlja se pitanje da li je postojeća definicija " strukturnog domena" tačna? I od toga zavisi nivo odnosa egzon-domena.

Ljudski genom - poslednjih 5 miliona godina

Mada je evolucija čoveka sporna sa mnogih aspekata ono što je opšte prihvaćeno je da su najbliži srodnici ljudima među primatima šimpanze i da je njihov zajednički predak živeo pre oko 4,5-5 miliona godina. Od razdvajanja, ljudska loza razvijala se u dva roda- Australopitekus i Homo od koga vodi i Homo sapiens. I ma koliko bar u našim očima, imali važne biološke atribute koji nas čine drugačijima od svih ostalih životinja, činjenica je da se (bar koliko je do sada proučeno) genomi čoveka i šimpanze razlikuju za samo 1,5%. Ovaj stepen odnosi se na nejednakosti u sekvenci nukleotida. Kada se posmatra samo kodirajuća DNA, razlika je još manja, pri čemu mnogi geni imaju identične sekvence. Samo nekoliko razlika je otrkriveno:

• čoveku nedostaje segment od 92 bazna para za gen za N-glikolil-neuraminska kiselina hidrolazu, pa ne može da sintetiše hidroksilovanu formu N-glikolil neurominske kiseline koja se nalazi na površini nekih ćelija šimpanze. Ovo može imati efekta na sposobnost određenih patogena da prodru u ljudske ćelije i moguće je da utuču na neke tipove međućelijskih interakcija. Ali misli se da ova razlika nije od velikog značaja.
• nekoliko duplikacija rezultiraju u kopijama gena za koje se može reći da su specifične za čoveka ili šimpanzu, jer se nalaze samo u jednom ili drugom genomu. Ipak, ovo su nedavne promene koje još nisu imale vremena da pretrpe mutacije te su samo obične kopije i nemaju bitnog uticaja na funkcije gena.
• neke komponente nekodirajuće DNA, visoko ponovljive DNA kao što su one u centromerama veoma su razlikuju u hromozomima ljudi od ekvivalentnih kod šimpanze. Ljudski genom takođe sadrži nove verzije Alu- elementa.
• genomi čoveka i šimpanze podlegli su nekim preraspodelama, što je otkriveno upoređivanjem hromozoma. Najupadljivija razlika je što šimpanze na mestu čovekovog drugog hromozoma, imaju dva odvojena hromozoma, pa (kao i drugi majmuni) imaju 24 para, a čovek 23 para hromozoma. Vidljive razlike uočavaju se i na 5.,6.,9. i 12. hromozomu dok su ostali gotovo identični.

Ove razlike su zanimljive sa aspekta evolucije genoma, ali ne otkrivaju osnove posebnih bioloških atributa koji karakterišu čoveka. Misli se da većina ključnih razlika između ljudi i majmuna leži u finim promenama kada je ekspresija gena u pitanju i to onih uključenih u razvoj nervnog sistema. Analizama putem mikroerej tehnike utvrdjene su razlike u ekspresiji gena ćelijama mozga, ali nije otkriveno kako tačno utiču na funkcije mozga. Jasno je, ipak, da ono što nas čini ljudima nije sam genom već način na koji on funkcioniše.

Literatura

• Dr. Nikola Tucić, Evoluciona Biologija, NNK-international Beograd, 2003.
• T.A.Brown, Genomes 2, BIOS Ltd.,Oxford,U.K., 2002.
• Alberts, Molecular biology of THE CELL, 4th Edition, Garland Science, 2002.
• [www.bioweb.uwlax.edu/GenWeb/Molecular/Bioinformatics]
• [www.uta.edu/.../ Molecular_evolution/]

Autor teksta: Nataša Kočiš Tubić i Andrijana Andrić