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并不是所有的基因都是生存所必需的——2号站代理这些物种丢掉了额外的基因包袱

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最新的数据显示,人类的基因组中大约有21,000个基因,这是一个有机体的遗传信息集合。但是我们真的需要我们所有的基因吗?如果我们少了三四个呢?如果我们损失了3000或4000人呢?我们还能正常工作吗?人类的基因组有变异,但个体之间的总体大小没有显著差异,除了某些遗传病,如唐氏综合症,它是由21号染色体的额外拷贝及其携带的所有基因引起的。
 
基因组中的每个基因都为影响我们生活的蛋白质提供了编码,从头发的生长到让我们消化某些食物。在人类基因组中发现的大多数基因目前可能是安全的,但随着时间的推移,有些生物已经削减了它们的基因组,在不同的栖息地生活。
 
科学家以前认为,生物体基因组中的每一个基因都是生存所必需的,因为人类的基因组大小在人与人之间几乎没有变化。然而,使用更小、流线型基因组的动物进行的研究证明了这一点。
 
如何精简基因组?有机体是否只是随着时间的推移而切割基因,并希望得到最好的结果,还是有一系列的过程来弥补这些基因的损失?如果研究人员能够理解这些小基因组是如何如此高效地工作的,我们也就能够更好地理解人类基因组是如何工作的。Amey Redkar, Alison Gerken和Jessica Velez是一群有着不同背景的生物学家,他们都来自美国遗传学协会。我们感兴趣的是了解不同的遗传过程如何在不同的生物体中起作用,并努力将这些有关遗传学的令人兴奋的事实传达给广大的受众。
 
基因组结构重排通过进化过程
 
基因组可以以多种方式改变。变化可能是轻微的,只涉及单个DNA构建块,或者是大规模的,例如复制或丢失一大块DNA。甚至有可能失去整个基因通路——一组基因共同作用。随着时间的推移,DNA的大量丢失被称为基因组流线型化。
 
每一种生物都适应了它们的环境,有些生物通过基因组的精简来实现这一点。在这个过程中,随着物种适应环境,2号站注册登录基因组被重新排列。基因组流线型化使生物体能够在具有挑战性的环境中茁壮成长,比如低营养的海洋环境,或者适应独特的进化挑战,比如飞行带来的挑战。
 
研究人员通过研究被称为“模式物种”的特定物种的流线型基因组来探索这些适应性,从而发现什么遗传物质过剩,以及是否存在一个有机体生存所需的最佳基因数量。
 
鸟类和植物经历了基因组精简
 
蜂鸟的基因组流线型化是一个显著的例子,其中基因组大小适应的主要驱动力被认为是飞行和代谢需求。这些鸟发展出了飞行的能力和高能量的生活方式,这都反映在它们的遗传密码中。蜂鸟的基因组是鸟类中最小、变异最小的,大约有9亿个DNA单位。编码蛋白质的基因平均比哺乳动物基因组短27%到50%。这些适应性是通过基因组的精简过程产生的。那些对蜂鸟生活在高海拔地区并拥有非常活跃、高能量生活方式没有积极作用的DNA和基因,在适应性突变中丢失了。
 
快速移动的鸟类只是经历了基因组精简的更为复杂的物种之一。在植物王国里,无根的小水生狸藻类植物长臂猿,用真空吸力在微型陷阱里捕捉昆虫猎物。这种植物适应了一种掠夺性的生活方式,通过基因的进化选择,让狸藻类植物使用特殊的酶来分解复杂的分子,并在水环境中保持植物的结构完整性。多余的、不重要的和不必要的基因丢失了。
 
极度简化:最小的基因组
 
先前的基因组缩小的例子提出了一个基本的问题:一个基因组能有多精简?当一个物种的基因组缩小时,科学家们可以探索一个物种在失去多少基因后就不能继续生存下去。
 
在这些研究中使用的一种生物,原绿球藻,是一种生活在海洋中的单细胞蓝藻。拥有1,800,000个DNA单位的P. marinus是已知的所有光合生物中基因组最小的。

这些蓝藻细菌不能再创造许多生存所必需的分子。他们已经失去了用于制造氨基酸的整个基因通路,而氨基酸是制造蛋白质所必需的。因此,如果没有共生或有益物种的帮助,海洋疟原虫就无法在自然环境中生存,而共生或有益物种提供海洋疟原虫所需的氨基酸。在实验室里,如果没有这些辅助物种的存在,或者通过直接添加必需的氨基酸,研究人员就无法培育出这种鱼。
 
依赖其他物种
 
昆虫体内也存在类似的共生关系。某些细菌病原体纳多内拉已经经历了基因组精简,其基因组大小仅为23万个DNA单位,除DNA合成所需的基因和制造酪氨酸(一种构建蛋白质的氨基酸)的基因途径外,其他基因均已脱落。
 
这些细菌几乎所有的新陈代谢需求都来自它们生活的象鼻虫。反过来,细菌又为这条途径提供了最后的基石,从而让象鼻虫产生氨基酸酪氨酸,从而为象鼻虫建立一个更黑、更硬的外骨骼,从而保护昆虫不受捕食者的侵害,不被晒干。因此,纳多内拉既依赖宿主象鼻虫,又为宿主象鼻虫提供利益,以换取这种依赖。
 
和人类一样,这些物种都有结构化的遗传信息,但对这些动物、植物和细菌的研究表明,并不是每一个基因都是在它们的环境中生存所必需的。随着研究人员继续探索基因组的流线型化,我们越来越接近于理解基因适应是如何产生的,遗传信息的丢失是如何影响物种的基因组的,以及一个物种为了在独特的、具有挑战性的环境中生存必须拥有多少基因。

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