Konservētās sekvences — definīcija, nozīme un piemēri
Uzzini, kas ir konservētās sekvences, kāpēc tās svarīgas evolūcijā un ģenētikā, un izvērtē piemērus DNS, RNS un olbaltumvielu līmenī.
Konservētas sekvences ir līdzīgas vai identiskas sekvences, kas sastopamas DNS, kā arī izraisa sekvences RNS, olbaltumvielās un ogļhidrātos. Tāds paņēmiens — atkārtota vai ļoti līdzīga bāzu, aminoskābju vai cukuru vienību kārtība — norāda, ka konkrētajai secībai evolūcijas laikā ir bijusi svarīga funkcija.
Šīs sekvences sastopamas visās sugās. Tas liecina, ka šīs sekvences ir saglabājušās evolūcijā, neraugoties uz sugu dalīšanos. Jo tālāk augšup fi loģenētiskajā kokā atrodas konkrēta saglabājusies sekvence, jo vairāk tā ir saglabājusies. Tā kā sekvences informācija parasti tiek nodota no vecākiem pēcnācējiem ar gēnu palīdzību, saglabājusies sekvence nozīmē, ka ir saglabājies gēns vai vismaz tā funkcionāli svarīgā daļa.
Kāpēc sekvences tiek konservētas
Sekvences saglabāšana notiek tad, kad mutācijas ļoti saglabātā reģionā rada dzīvotnespējīgas dzīvības formas, t. i., formas, kas tiek likvidētas dabiskās atlases ceļā. Citiem vārdiem sakot, gēna produkts ir dzīvībai vitāli svarīgs, un tā funkciju iznīcina gandrīz visas sekvences izmaiņas (mutācijas). Šo procesu sauc par purifikācijas jeb negatīvo selekciju — selekcija izskalo kaitīgās izmaiņas, saglabājot oriģinālo un funkcionālo secību.
Kur un kādās molekulās mēs redzam konservētas sekvences
- RNS: ribosomu RNS (piem., 16S/18S rRNA) ir ļoti konservētas, jo tās nodrošina ribosomas struktūru un funkciju.
- Olbaltumvielas: daudzu būtisku proteīnu aktīvās vietas vai struktūras elementi (piem., histonu proteīni, citohroma c) ir ļoti saglabājušies starp sugām.
- DNS reģioni: kodējoši gēni, intronu donoru/akceptoru vietas, konsensus promoteru elementi un konservētas ne-kodējošas regulējošas zonas (enhanceri, silenci) var būt saglabājušās.
- Ogļhidrāti un glykosilācijas vietas: kaut arī “sekvenču” jēdziens ogļhidrātos ir specifiskāks, konservēti cukuru pievienošanas motīvi proteīnos un glikānu uzbūves varianti var būt funkcionāli svarīgi un saglabāti.
Praktiska nozīme un pielietojumi
Konservētas sekvences sniedz svarīgu informāciju bioloģijā un medicīnā:
- Funkciju prognozēšana: ja nezināms gēns vai domēns ir konservēts, tas, visticamāk, ir funkcionāli nozīmīgs.
- Evolūcijas pētījumi: konservēti reģioni palīdz rekonstruēt sugu radurakstus un identificēt fundamentālas bioloģiskas funkcijas.
- Slimību ģenētika: mutācijas konservētos reģionos bieži vien izraisa slimības vai nopietnus fenotipus, jo šīs izmaiņas traucē vitāli svarīgas funkcijas.
- Regulējošo elementu identifikācija: konservēti ne-kodējoši reģioni bieži ir saistīti ar gēnu ekspresijas kontroli.
Kā identificē konservētas sekvences
Bioinformātiskie paņēmieni ietver:
- Vienkāršus salīdzinājumus — BLAST meklējumi, lai atrastu līdzīgus fragmentus citās sugās.
- Vairāku sekvenču izlīdzināšana (multiple sequence alignment) ar rīkiem kā Clustal Omega, MUSCLE vai MAFFT, lai redzētu, kuras pozīcijas ir konservētas.
- Filogenētiski pamatoti rādītāji — PhastCons, phyloP u. c., kas novērtē konservāciju, ņemot vērā evolūcijas attālumus.
- Ģenētiskās selekcijas mērījumi — piemēram, dN/dS attiecība kodējošiem gēniem, kas palīdz atšķirt negatīvo selekciju no pozitīvās selekcijas.
Piemēri
- Ribosomu RNS un histonu proteīni — tie ir viena no klasiski visvairāk konservētajām molekulām.
- Citohroma c — maza, vitāli svarīga olbaltumviela, kas saglabājas starp ļoti attāliem organismiem.
- Ultrakonservēti elementi (UCE) — gari DNS fragmenti, kas praktiski nemainās starp cilvēku, peli un citām mugurkaulnieku sugām; to funkcijas bieži saistās ar attīstības regulāciju.
Ko liecina trūkums vai zema konservācija
Sekvences, kas nav konservētas, var norādīt uz zemāku funkcionālu ierobežojumu, ātrāku adaptīvu evolūciju vai uz to, ka reģions ir relatīvi mazsvarīgs. Tomēr zema konservācija nenozīmē, ka sekvence nav svarīga — piemēram, specifiskas sugas adaptācijas var radīt jaunas, unikālas funkcijas, kas ir svarīgas tikai konkrētai sugai.
Kopsavilkumā, konservētas sekvences ir vērtīgs rādītājs par molekulārajām funkcijām un evolūcijas spēkiem. To identifikācija palīdz saprast bioloģisko nozīmīgumu, noteikt potenciālos slimību izraisītājus un atklāt pamata mehānismus, kas darbojas visās dzīvības formās.
Atlikumi, kas saglabājas dažādos G proteīnu saistītos receptoros, ir izcelti zaļā krāsā.
Konservatīvās nukleīnskābju sekvences
Pamatteorija, par kuru daudzi ir vienisprātis, ir tāda, ka ļoti konservatīvām DNS sekvencēm ir jābūt funkcionāli nozīmīgām, lai gan daudzu šo ļoti konservatīvo nekodējošo DNS sekvenču loma nav zināma. Vienā nesen veiktā pētījumā, kurā peļu vidū tika likvidētas četras ļoti konservatīvas nekodējošas DNS sekvences, tika iegūtas dzīvotspējīgas peles bez būtiskām fenotipiskajām atšķirībām; autori savus rezultātus raksturoja kā "negaidītus". Tātad ir skaidrs, ka kaut kas nav izprasts.
Daudzi DNS reģioni, tostarp ļoti konservatīvas DNS sekvences, sastāv no atkārtojošos sekvenču elementiem. Ja no atkārtojušos sekvenču kopas tiktu izņemts tikai viens atkārtojums un atkārtojumi nebūtu vajadzīgi, tad peļu organismā nebūtu vērojama nekāda atšķirība. Darbā nav ziņots, vai likvidētās sekvences bija atkārtotas sekvences.
Konservatīvās olbaltumvielu sekvences un struktūras
Lai šūnas darbotos vai dalītos, bieži vien ir nepieciešami ļoti konservēti proteīni. Par olbaltumvielu sekvenču saglabāšanu liecina identisku aminoskābju atlieku klātbūtne analogās olbaltumvielu daļās. Par olbaltumvielu struktūru saglabāšanos liecina funkcionāli līdzvērtīgu, lai gan ne vienmēr identisku aminoskābju atlieku un struktūru klātbūtne starp analogām olbaltumvielu daļām.
Zemāk parādīts divu cilvēka cinka pirkstu proteīnu aminoskābju secības izlīdzinājums. Konservatīvās aminoskābju sekvences ir atzīmētas ar ∗ {\displaystyle \mathrm {*} virknēm. }
secības izlīdzinājuma trešajā rindā. Kā redzams no šī izlīdzinājuma, šie divi proteīni satur vairākas konservatīvas aminoskābju sekvences (apzīmētas ar vienādiem burtiem, kas izlīdzināti starp divām sekvencēm).
Salīdzinošā genomika
Pētniecības nozari, kas pēta daudzgēnu ģimeņu evolūciju un funkcijas, sauc par salīdzinošo genomiku.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir saglabājamās secības?
A: Saglabājamās sekvences ir līdzīgas vai identiskas sekvences, kas sastopamas DNS un izraisa sekvences RNS, olbaltumvielās un ogļhidrātos. Šīs sekvences sastopamas visās sugās, kas liecina, ka tās ir saglabājušās evolūcijas gaitā, neskatoties uz sugu dalīšanos.
Jautājums: Ko nozīmē, ja saglabājusies sekvence parādās tālāk filoloģētiskajā kokā?
A: Ja saglabājusies sekvence ir sastopama tālāk filoģenētiskajā kokā, tā ir vairāk saglabājusies. Tas nozīmē, ka tā ir saglabājusies lielā mērā nemainīga ilgāku laiku.
J: Ko saglabāta sekvence liecina par gēnu, ko tā pārstāv?
A: Saglabājusies sekvence nozīmē, ka ir saglabājies gēns. Tas ir tāpēc, ka sekvences informācija parasti tiek nodota no vecākiem pēcnācējiem ar gēnu palīdzību.
J: Kad notiek sekvences saglabāšanās?
A: Sekvences saglabāšanās notiek tad, kad mutācijas ļoti konservatīvā reģionā izraisa nedzīvas dzīvības formas. Citiem vārdiem sakot, gēna produkts ir vitāli svarīgs dzīvībai, un tā funkciju iznīcina gandrīz visas sekvences izmaiņas (mutācijas).
J: Kāpēc saglabātās sekvences ir svarīgas?
A: Saglabājušās sekvences ir svarīgas, jo tās liecina par organismu savstarpējām evolūcijas attiecībām. Tās arī liecina, ka šajās sekvencēs iesaistītie gēni ir būtiski dzīvībai.
J: Kā saglabātās sekvences tiek nodotas no paaudzes paaudzē?
A: Saglabājušās sekvences parasti tiek nodotas no paaudzes uz paaudzi ar gēnu palīdzību. Tas nozīmē, ka tās tiek pārmantotas no vecākiem pēcnācējiem ar DNS starpniecību.
Vai visas mutācijas saglabātajās sekvencēs izraisa nedzīvas dzīvības formas?
A: Jā, gandrīz visas mutācijas ļoti konservatīvos apgabalos izraisa nedzīvas dzīvības formas, jo gēna produkts ir dzīvībai vitāli svarīgs, un gandrīz visas sekvences izmaiņas iznīcina tā funkciju.
Meklēt