Запазени последователности в генома — определение, функции и еволюция

Запазените последователности са сходни или идентични последователности, които се срещат в ДНК, и са причина за последователности в РНК, протеини и въглехидрати.

Тези последователности се срещат при всички видове. Това показва, че последователностите са се запазили в еволюцията въпреки видообразуването. Колкото по-назад във филогенетичното дърво се намира дадена запазена последователност, толкова по-силно запазена е тя. Тъй като информацията за последователността обикновено се предава от родителите на потомството чрез гени, запазената последователност означава, че има запазен ген.

Консервацията на дадена последователност се случва, когато мутациите в силно консервативен регион водят до нежизнеспособни форми на живот, т.е. форми, които се елиминират чрез естествен подбор. С други думи, продуктът на гена е жизненоважен за живота и неговата функция се унищожава от почти всички промени (мутации) в последователността.

Какво означава „запазена последователност“?

Запазена или консервативна последователност е участък от генома, чиито нуклеотидни или аминокиселинни позиции се променят много малко през еволюцията. Това предполага функционално значение — всяка промяна често намалява пригодността (fitness) и се премахва от популацията чрез селекция. Запазването може да обхваща:

кодиращи региони (екзони) и домейни на протеини;
регулаторни елементи (промотори, енхансъри, сайленсери);
некодиращи РНК (rRNA, tRNA, микроРНК и др.);
структурни елементи на хроматина и повтори, които имат важна функция.

Примери

Рибозомните РНК и тРНК — силно консервативни в почти всички организми.
Хистоновите протеини — почти идентични в широк спектър от видове.
Hox гени — важни за ембрионалния развитък и запазени в много животински линии.
Ултраконсервативни елементи (ultraconserved elements) — дълги участъци без промени между бозайници.

Механизми за запазване

Потискащ селекционен натиск (purifying selection) — вредните мутации се премахват.
Функционални ограничения — структурни или каталитични свойства изискват специфична последователност.
Двойна функция — един и същи регион може да кодира протеин и да съдържа регулаторни мотиви, което увеличава ограничението върху промени.

Как се откриват запазените последователности?

Сравнителната геномика и биоинформатичните методи помагат да се намерят консервативни участъци:

множинни подравнявания на последовательности (multiple sequence alignment);
филогенетично „отпечaтване“ (phylogenetic footprinting) — търсене на консервативни мотиви сред свързани видове;
скорове за консервация като PhastCons и GERP, които измерват отклонението от неутрален модел;
експериментални методи (ChIP-seq, RNA-seq), които доказват функционалност на регулаторни елементи.

Еволюционни и функционални последствия

Запазването означава, че даден елемент има важна роля — това помага при анотация на генома и откриване на функционални региони.
Степента на консервация дава информация за „дълбочината“ на еволюционната сила: много древни елементи са запазени сред широки таксономични групи.
Въпреки това, липсата на консервация не означава непременно липса на функция — някои елементи еволюират бързо, ако функцията им допуска промяна или ако са под положителен отбор.
Изследването на запазените последователности помага за идентифициране на мутации, свързани с болести — вариант в силно запазен регион има по-голяма вероятност да бъде вреден.

Ограничения и особености

Консервацията не е абсолютен маркер за функция — някои региони могат да се запазят поради намалена мутационна честота или геномна архитектура.
Детерминацията на функционалността изисква комбиниране на еволюционни данни с експериментални доказателства.
Някои важни регулаторни елементи са видоспецифични и няма да бъдат намерени чрез сравнение с далечни видове.

В обобщение, запазените последователности са ключов инструмент за разбиране на биологичната функция и еволюция. Комбинацията от сравнителни анализи и експериментални методи позволява да се откроят най-вероятно функционалните региони на генома и да се прогнозира влиянието на генетични варианти върху здравето и развитието на организмите.

Остатъците, които се запазват сред различните рецептори, свързани с G протеин, са подчертани в зелено.

Консервирани последователности на нуклеиновите киселини

Основната теория, с която се съгласяват всички, е, че висококонсервираните ДНК последователности трябва да имат функционална стойност, въпреки че ролята на много от тези висококонсервирани некодиращи ДНК последователности не е известна. Едно скорошно проучване, при което са елиминирани четири висококонсервирани некодиращи ДНК последователности при мишки, е дало жизнеспособни мишки без значителни фенотипни разлики; авторите описват резултатите си като "неочаквани". Така че явно има нещо, което не е разбрано.

Много участъци от ДНК, включително силно запазени ДНК последователности, се състоят от повтарящи се последователни елементи. Ако се премахне само една от набор повтарящи се последователности и повторенията не са необходими, няма да се види разлика при мишките. В статията не се съобщава дали премахнатите последователности са били повтарящи се последователности.

Консервирани протеинови последователности и структури

Висококонсервираните протеини често са необходими за функционирането или деленето на клетките. Запазването на белтъчните последователности се доказва от наличието на идентични аминокиселинни остатъци в аналогични части на белтъците. Запазването на белтъчните структури се показва от наличието на функционално еквивалентни, макар и не непременно идентични, аминокиселинни остатъци и структури между аналогични части на белтъците.

По-долу е показано подравняване на аминокиселинната последователност между два човешки протеина с цинков пръст. Запазените аминокиселинни последователности са отбелязани с низове от ∗ {\displaystyle \mathrm {*} } ${\mathrm {*}}$ на третия ред на подравняването на последователностите. Както може да се види от това подравняване, тези два протеина съдържат редица запазени аминокиселинни последователности (представени с еднакви букви, подравнени между двете последователности).

Сравнителна геномика

Изследователската област, която изучава еволюцията и функциите на многогенните семейства, се нарича сравнителна геномика.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват запазените последователности?

О: Запазените последователности са сходни или идентични последователности, които се срещат в ДНК и предизвикват последователности в РНК, протеини и въглехидрати. Тези последователности се срещат при всички видове, което предполага, че са се запазили в еволюцията въпреки видообразуването.

Въпрос: Какво означава, ако запазена последователност се среща по-нагоре във филогенетичното дърво?

О: Ако една запазена последователност се среща по-нагоре във филогенетичното дърво, тя е по-силно запазена. Това означава, че тя е останала до голяма степен непроменена за по-дълъг период от време.

В: Какво означава запазената последователност за гена, който представлява?

О: Запазената последователност означава, че има запазен ген. Това е така, защото информацията за последователността обикновено се предава от родителите на потомството чрез гените.

В: Кога се запазва дадена последователност?

О: Запазването на последователността се случва, когато мутациите в силно запазена област водят до нежизнеспособни форми на живот. С други думи, продуктът на гена е жизненоважен за живота и неговата функция се унищожава от почти всички промени (мутации) в последователността.

Въпрос: Защо запазените последователности са важни?

О: Запазените последователности са важни, защото предоставят доказателства за еволюционните връзки между организмите. Те също така предполагат, че гените, участващи в тези последователности, са от съществено значение за живота.

В: Как запазените последователности се предават от поколение на поколение?

О: Запазените последователности обикновено се предават от поколение на поколение чрез гени. Това означава, че те се унаследяват от родителите към потомството чрез ДНК.

В: Всички ли мутации в запазените последователности водят до нежизнеспособни форми на живот?

О: Да, почти всички мутации в силно запазени участъци водят до нежизнеспособни форми на живот, тъй като продуктът на гена е жизненоважен за живота и неговата функция се разрушава от почти всички промени в последователността.