Konserveeritud järjestused: DNA, RNA ja valkude evolutsiooniline tähtsus
Konserveeritud järjestused: kuidas DNA, RNA ja valgud säilivad evolutsioonis — nende mehhanismid, tähtsus ja mõju. Loe põhjalikku ülevaadet.
Konserveeritud järjestused on sarnased või identsed järjestused, mis esinevad DNAs ja ilmnevad samal või väga sarnasel kujul ka RNAs, valkudes ning mõnel juhul ka süsivesikutes. Need järjestused võivad olla lühikesed nukleotiidi- või aminohappelõigud või palju pikemad elemendid, mille säilimine viitab olulisele bioloogilisele funktsioonile.
Konserveerunud järjestusi leidub kõigis eluringi harudes ja liikide vahel. See tähendab, et need on säilinud evolutsioonis vaatamata liigirikkusele. Mida kaugemale ülespoole fülogeneetilises puus konkreetne konserveerunud järjestus esineb, seda tugevam on tõendus selle kohta, et tegemist on funktsionaalselt tähtsa regiooni või geeniga. Kuna järjestusteave antakse tavaliselt vanematelt järglastele edasi geenide kaudu, tähendab konserveerunud järjestus sageli seda, et just see geen või järjestuse osa on õige toimimise jaoks vajalik — st tegemist on konserveerunud geeniga.
Järjestuse konserveerumine tekib siis, kui muutused ehk mutatsioonid konserveerunud piirkonnas põhjustavad eluvõimetu või oluliselt nõrgendatud fenotüübiga vormide tekke, mida looduslik valik eemaldab populatsioonist. Teisisõnu: konserveerunud piirkonnad on allutatud tugevale puhastavale (purifying) selektsioonile — enamik alteratsioone vähendavad organismi ellujäämis- või paljunemisvõimet ja seetõttu ei akumuleeru need muutused populatsioonides.
Millistes järjestustes nähakse konserveerumist?
- Struktuursed valgud ja nende funktsionaalsed domeenid (näiteks ensüümide aktiivsed saidid).
- Ribosomaalne RNA ja teised funktsionaalsed RNA-d (tRNA, snRNA), mille sekundaar- ja kolmemõõtmeline struktuur on hädavajalik.
- Regulatoorsed elemendid — promotori- ja enhanceri järjestused, transkriptsioonifaktorite sidumiskohad.
- Mitochondriaalsed geenid ja teised põhilised elufunktsioonidega seotud geenid (näiteks histoonid, Hox geenid).
- Ultrakonsserveeritud või väga pikaajalised konserveeritud mittetõlgendavad järjestused (conserved non-coding elements), millel võib olla arengu- või regulatoorne roll.
Kuidas konserveerumist mõõdetakse ja tuvastatakse?
- Järjestuste võrdlev analüüs: järjestuste joondamine (sequence alignment) ja filogeenilised analüüsid näitavad, millised piirkonnad on erinevate liikide vahel muutumatud.
- Statistilised meetodid, näiteks dN/dS (nonsünonüümsete vs sünonüümsete mutatsioonide suhe) aitavad hinnata, kas geen on allutatud valikule.
- Võrdlev genoomika ja filogeneetiline footprinting — mitme liigi genomite võrdlus, et leida ühised konserveeritud elemendid.
- Tööriistad nagu BLAST ja mitmerealised joondusprogrammid (Clustal, MUSCLE, MAFFT) on tavapärased esimesed sammud.
Miks konserveerunud järjestused on evolutsiooniliselt tähtsad?
Konserveerumine viitab sellele, et järjestusel on funktsioon, mille häirimine kahjustab organismi arengut, ellujäämist või reproduktsiooni. Sellised järjestused annavad teavet:
- põhilistest bioloogilistest protsessidest, mis on liigiti ja ajas stabiilsed;
- geeni funktsiooni ja tähtsate aminohapete või nukleotiidide identifitseerimisest;
- arengu- ja regulatoorsete võrgustike konservatiivsest olemusest;
- meditsiinilisest tähendusest — paljud haigust tekitavad mutatsioonid asuvad kõrge konserveeritusega piirkondades, sest neid tüüpi muutused mõjutavad olulist funktsiooni.
Praktilised näited ja rakendused
- Ribosomaalse RNA kõrge konserveerumine võimaldab seda kasutada filogeneetiliseks markerina (nt 16S rRNA bakterite klassifitseerimisel).
- Histoonide ja paljude tuumaproteiinide järjestused on nii konserveerunud, et need säilitavad funktsiooni nii sammas- kui ka kõrgemates organismides.
- Ultrakonsserveeritud mittetõlgendavad elemendid on seotud embrüo arengu reguleerimisega; nende kahjustused võivad põhjustada kaasasündinud arenguhäireid.
- Konserveeritud piirkondade tundmine aitab suunata eksperimente (nt sihtmõõtmised CRISPR-i abil) ning arendada geneetilisi teste ja ravistrateegiaid.
Piirangud ja nüansid
Konserveerumine ei tähenda automaatselt täielikku teadmata funktsiooni: mõnikord on konserveerunud järjestused seotud struktuurse stabiilsuse või regulatsiooniga, mille mõte pole kohe ilmne. Samuti võivad mõnes olukorras nn "konvergentne evolutsioon" või mittesaadud valikujõud tekitada sarnaseid järjestusi eri liinides. Lisaks ei tähenda madal konserveeritus tingimata ebaolulisust — mõned funktsioonid võivad kiiresti muutuda, kohanedes spetsiifiliste ökoloogiliste tingimustega.
Kokkuvõte
Konserveeritud järjestused on olulised märgid bioloogilisest tähtsusest ja evolutsioonilisest survetusest. Nende uurimine annab teadmisi geenide funktsioonist, organismide arengust ja tervisest ning aitab suunata nii teadusuuringuid kui ka meditsiinilisi rakendusi. Konserveerumise defineerimine ja kvantifitseerimine ning selle tõlgendamine nõuavad erinevate bioinformaatiliste ja eksperimentaalsete meetodite kombineerimist.
Rohelise värviga on esile toodud erinevate G-valguga seotud retseptorite seas konserveerunud jäägid.
Konserveeritud nukleiinhappe järjestused
Põhiteooria, milles ollakse laialdaselt nõus, on, et väga konserveeritud DNA järjestused peavad olema funktsionaalsed, kuigi paljude selliste väga konserveeritud mittekodeerivate DNA järjestuste roll ei ole teada. Üks hiljutine uuring, mille käigus kõrvaldati hiirtel neli väga konserveeritud mittekodeerivat DNA järjestust, andis elujõulisi hiiri, kellel ei olnud olulisi fenotüübilisi erinevusi; autorid kirjeldasid oma tulemusi kui "ootamatuid". Seega on siin selgelt midagi, mida ei mõisteta.
Paljud DNA piirkonnad, sealhulgas väga konserveerunud DNA järjestused, koosnevad korduvatest järjestuselementidest. Kui korduvate järjestuste hulgast eemaldataks ainult üks ja kordusi ei oleks vaja, siis ei oleks hiirtel erinevusi näha. Artiklis ei teatatud, kas kõrvaldatud järjestused olid korduvad järjestused.
Konserveeritud valkude järjestused ja struktuurid
Väga konserveerunud valgud on sageli vajalikud rakkude toimimiseks või jagunemiseks. Valgujärjestuste säilimist näitab identsete aminohappejääkide esinemine valkude analoogilistes osades. Valgu struktuuride säilimist näitab funktsionaalselt samaväärsete, kuigi mitte tingimata identsete aminohappejääkide ja struktuuride esinemine valkude analoogsete osade vahel.
Allpool on näidatud kahe inimese tsinksõrmevalku aminohappelise järjestuse joondamine. Konserveeritud aminohapete järjestused on tähistatud jadadega ∗ {\displaystyle \mathrm {*} }
järjestuse joonduse kolmandal real. Nagu sellest joondusest näha, sisaldavad need kaks valku mitmeid konserveeritud aminohapete järjestusi (mida tähistavad identsed tähed, mis on joondatud kahe järjestuse vahel).
Võrdlev genoomika
Uurimisvaldkonda, mis uurib mitme geeniperekonna evolutsiooni ja funktsiooni, nimetatakse võrdlevaks genoomikaks.
Küsimused ja vastused
K: Mida kujutavad endast konserveeruvad jadad?
V: Konserveeritud järjestused on sarnased või identsed järjestused, mis esinevad DNAs ja põhjustavad järjestusi RNAs, valkudes ja süsivesikutes. Need järjestused esinevad eri liikides, mis viitab sellele, et need on evolutsioonis säilinud vaatamata liikide levikule.
K: Mida tähendab see, kui konserveerunud järjestus esineb fülogeneetilises puustikus kaugemal?
V: Kui konserveerunud järjestus esineb fülogeneetilises puus kaugemal, on see rohkem konserveerunud. See tähendab, et see on jäänud pikema aja jooksul suures osas muutumatuks.
K: Mida tähendab konserveerunud järjestus selle geeni kohta, mida see esindab?
V: Konserveerunud järjestus tähendab, et tegemist on konserveerunud geeniga. See tuleneb sellest, et järjestusinformatsioon kandub tavaliselt vanematelt järglastele edasi geenide kaudu.
K: Millal toimub järjestuse säilimine?
V: Järjestuse konserveerumine toimub siis, kui mutatsioonid väga konserveerunud piirkonnas viivad eluvõimeliste eluvormide tekkimiseni. Teisisõnu, geeni toode on elutähtis ja selle funktsioon hävib peaaegu kõigi järjestuse muutuste (mutatsioonide) tagajärjel.
Küsimus: Miks on konserveerunud järjestused olulised?
V: Konserveerunud järjestused on olulised, sest need annavad tunnistust organismide vahelistest evolutsioonilistest suhetest. Samuti viitavad nad sellele, et nendes järjestustes osalevad geenid on eluks hädavajalikud.
K: Kuidas säilinud järjestused põlvest põlve edasi kanduvad?
V: Konserveeritud järjestused kanduvad tavaliselt põlvkonnalt põlvkonnale edasi geenide kaudu. See tähendab, et need päranduvad vanematelt järglastele DNA kaudu.
K: Kas kõik konservatiivsete järjestuste mutatsioonid viivad eluvõimetute eluvormideni?
V: Jah, peaaegu kõik mutatsioonid väga konserveerunud piirkondades viivad eluvõimetute eluvormideni, sest geeniprodukt on elutähtis ja selle funktsioon hävitatakse peaaegu kõigi järjestuse muutuste tagajärjel.
Otsige