بخشی از مقاله
مقدمه
در دهههاي گذشته پیشرفتهاي شگرف در فنآوري، تاثیر عمدهاي بر تحقیقات در زمینه تکامل مولکولی داشته است. بطوریکه امروزه تصور انجام تحقیقات بدون استفاده از ژنومیکس و بیوانفورماتیک کاري بس دشوار است. در این بررسی به پنج جنبه از تحقیقات تکامل مولکولی که ژنومیکس در دهههاي گذشته تاثیر قابل ملاحظهاي بر آنها داشته است میپردازیم: منشا ژنهاي جدید، گسترش گزینش طبیعی مثبت، الگوهاي جهشی نامتقارن، تغییرات مکانی در سرعت جهش و تکامل در سازماندهی ژنوم.
منشاء ژنهاي جدید کجاست بطور کلی سه مکانیزم در شکلگیري ژنها قابل تصور است: مضاعف شدن ژنهاي اولیه، خلق ژنهاي موزائیک توسط بخشهایی از سایر ژنها، ظهور ژنهاي جدید از DNA هاي بدون رمز اولیه. مضاعف شدن ژن آشناترین فرآیند در شکلگیري ژن و احتمالا تشکیل اغلب ژنهاي جدید بوده است. توالیهاي مضاعف شده یا به شبه ژنها مبدل شده و یا تبدیل به ژنهاي جدید میگردند. اینکه چه عواملی نقش کنترلی را در سرنوشت توالیهاي مضاعف شده جدید بر عهده دارند مورد بحث میباشد.
اگر یک ژن جدید، نسخه دقیق از ژنی دیگر باشد ، تنها مسیري که میتواند منجر به مزیت انتخابی سریع آن گردد اینست که فرآیند انتخاب منجر به افزایش تولید محصول ژن یعنی پروتئین یا mRNAي آن گردد. هنگامی که دو ژن مضاعف شده از هم تفکیک میگردند در این هنگام هر دوي آنها با تجمع جهشهاي مختلف در درون خود زیر مجموعهاي از کارکردهاي ژن اصلی را بر عهده گرفته و لذا هر یک داراي نقشی ضروري هستند. گاهی اوقات وقوع جهشها در یک ژن مضاعف شده کارکرد جدیدي به آن میبخشد که منجر به پایداري آن در ژنوم میگردد. میتوان گفت اغلب مسیرهایی که منجر به افزایش شگفت آور تعداد ژنها در یک موجود میگردد طی مضاعف شدن کل محتوي ژنتیکی از طریق پدیده پلیپلوئیدي روي میدهد.
ژنهاي موزائیک
بسیاري از ژنها حاصل مضاعفشدن بخشهایی از دیگر ژنها میباشند. پروژههاي ژنومی در شناسایی منشاء قطعات مختلف تشکیل دهنده DNA ،نقش ارزندهاي داشتهاست که از این بین ژنهایی که در طی مراحل تکاملی گیاهان امروزي از ژنوم میتوکندریایی به ژنوم هستهاي انتقال یافتهاند جزء این دسته میباشند. جهت موفقیت در این انتقال، پروتئین سنتز شده توسط این ژنها باید از طریق یک توالی نشانهاي در انتهاي آمینو به میتوکندري بازگردد. اغلب ژنهاي منتقل شده، DNAي رمزگردان پپتید نشانهاي را از ژن دیگري از طریق مضاعف شدن یا پیرایش متناوب نواحی اگزونی مرتبط بدست می آورند.
شکل گیري ژنهاي جدید
اگر چه خلق ژن هاي جدید از توالیهاي بدون رمز DNA ، پدیدهاي نادر به نظر میآید ولی با این وجود مثالهایی همچون خانواده ژنی در راسته پستانداران گزارش شده است. خانواده ژنی رونوشتهاي حاصل از توالیهاي تکراري بوده که به سرعت در حال تغییر و تکامل می باشند و بصورت نسخههاي چندگانه در کروموزوم 16 انسان حضور دارند. ژن رمز گردان گلیکوپروتئین ضدیخ - AFGP - در یک گونه از ماهی قطبی بنام حاصل مضاعف شدگی ژن رمزگردان تریپسینوژن لوزالمعده بوده که در پی آن کلیه نواحی اگزونی بجز اولین و آخرین اگزون حذف شده و بخش مرکزي ژن توسط توالی شدیدا تکراري رمز گردان الیگومر تره اونین- آلانین – آلانین جایگزین شده است.
انتقال جانبی ژن
یکی دیگر از منابع ژنها انتقال جانبی آنها در میان گونههاست که در باکتريها به خوبی شناخته شده است ولی در یوکاریوتها نیاز به تحقیقات بیشتري دارد. بعنوان مثال در حال حاضر مشخص نیست که آیا ژنهاي که در ژنوم برخی از گونههاي مخمر یافت میشود حاصل ژنهاي جدیدي است که طی انتقال جانبی از یک گونه ناشناخته بدست آمده و یا تنها حاصل تکاملی بسیار سریع میباشد.
گزینش طبیعی مثبت
تلاشهاي بسیاري جهت شناسایی نقش گزینش مثبت در طی تکامل ژنها صورت پذیرفته است. تحقیقات در این زمینه عمدتا بر روي ژنهاي دفاعی در برابر پاتوژنها تمرکز یافته است. وقوع گزینش در راستاي افزایش تنوع در ژنهاي رمزگردان کلیسین درE.coli مشاهده گردیده است. مدارکی دال بر گزینش طبیعی مثبت در دیگر پروتئینهاي ضد پاتوژن نظیر بدست آمده است. هر یک از مثالهاي فوق بیانگر آنست که پروتئینها در طول دوره تکاملی خود تحت تاثیر گزینش طبیعی مثبت قرار گرفته اند.
الگوي جهشی نامتقارن رشتههاي DNA
دو رشته DNA از نظر همانندسازي و رونویسی متفاوت میباشند. همانندسازي بر روي رشته پیشرو بصورت پیوسته صورت میپذیرد حال آنکه رشته پسرو بطور ناپیوسته سنتز میگردد و طی رونویسی رشتهاي که رونویسی نمیشود در معرض آسیب بیشتري قرار میگیرد. بنابراین می توان گفت که فرآیندهاي همانندسازي و رونویسی نامتقارن بوده و میتوانند منجر به انحراف وقوع جهش بین دو رشته DNA گردند. دو روش معمول جهت بیان عدم تقارن رشتههاي DNA ، محاسبه میزان انحراف GC ، - - G-C - / - G+C، و میزان انحراف TA ، - T-A - / - T+A - ، بین دو رشته DNA میباشد.
تحقیقات اولیه بر روي ژنوم نشان میدهد که میزان انحراف GC بیشتر از انحراف TA است. فرضیههاي گوناگونی جهت توجیه انحراف رشتهها بر مبناي عدم تقارن در حباب همانندسازي پیشنهاد شدهاست. بعنوان مثال سرعت خطاي همانندسازي متفاوت بین دو رشته، رویدادهاي مختلف در رشتههاي پیشرو و پسرو و راندمان تعمیر و ترمیم متفاوت بر روي دو رشته. حضور فشار جهشی نامتقارن داراي چندین پیامد تکاملی میباشد: منجر به پیچیدهتر شدن برآورد فواصل تکاملی گردیده زیرا روشهاي سنتی معتقد بر تقارن رشتههاست.
بعنوان منبع مهمی از تغییرات کدونها واسیدهاي آمینه در موجودات مختلف بحساب میآید.ممکن است مسئول حضور تعداد بیشتر ژنها بر روي رشته پیش رو در ژنوم برخی از باکتریها باشد و ژنهاي موجود بر روي دو رشته DNA قادرند با سرعت متفاوتی تکامل یابند.
اثرات موقعیت ژنومی در سرعت جهشها
تحقیقات گستردهاي بر روي میزان تغییرات در سرعت جهش در بین نواحی مختلف ژنوم پستانداران و علل احتمالی وقوع آنها تمرکز یافته است. احتمال وقوع جهش با سرعت بیشتر در افراد نر نسبت به افراد ماده اولین بار توسط Haldane پیشنهاد گردید. روشی را به منظور محاسبه نسبت سرعت جهش نر به ماده - α - با استفاده از سرعت جایگزینی نوکلئوتیدها در توالیهاي همولوگ کروموزوم Yو X - یا اتوزومی - ابداع نمودند. بکارگیري این روش براي توالیهاي غیرکدکننده نشان داد که میزان α در پستاندارن دنیاي قدیم برابر 6-5 ، در گربهها برابر 4 و در جوندگان متعلق به خانواده موشها برابر 2 میباشد که بیانگر افزایش مقدار α طی افزایش طول نسل میباشد.
تحقیقات اخیر در ارتباط با مقایسه سرعت جایگزینی نوکلئوتیدها در توالیهاي همولوگ اتوزومی با توالیهاي کروموزوم Y بیانگر تکامل قوي جنس نر در پستانداران عالی بوده است. گفتنی است که تغییرات در سرعت جهش در نواحی مختلف کروموزومهاي اتوزومی نیز قابل مشاهده است. فرضیه فشار منطقهاي جهش آشکارا بیان میدارد که سرعت و الگوي جهش در نواحی ژنومی تغییر میکند. تحقیقات نشانداده است که سرعت یکسان جهش در ژنهاي پستانداران بطور مستقیم در ارتباط با محتوي G+C در موقعیت سوم کدون ژنهاست.
این وابستگی منجر به سرعت متغیر جهش در نواحی ژنومی میگردد زیرا محتوي G+C در نواحی مختلف ژنوم یوکاریوت ها متفاوت است. از دیگر عواملی که می تواند منجر به تغییرات مکانی در سرعت جهش گردد، نوترکیبی است که بعنوان عاملی جهشزا بوده و سرعت وقوع آن در طول ژنوم متغیر است.
تکامل در ساختار و سازماندهی ژنوم
توالییابی کامل ژنوم تعیین کننده موقعیت هر ژن بر روي کروموزوم میباشد و ژنومیکس مقایسهاي امکان مطالعه نحوه تکامل مکانهاي ژنی را فراهم می سازد. در باکتریها، ژنهایی که عملکرد آنها به یکدیگر وابستهاند در مکانهاي نزدیک بهم بر روي کروموزوم قرار گرفتهاند زیرا آنها بعنوان اپرون بصورت همزمان رونویسی میشوند. هرچند اغلب یوکاریوتها فاقد اپرون میباشند ولی بخشهایی از ژنوم آنها حاوي خوشههاي ژنی هستند که میتوان به خوشه هاي ژنی MHC و Hox اشاره کرد.
ژنومیکس مقایسهاي داراي کاربردهاي عملی همچون مطالعه برخی از گونهها که واجد اختلافات بارزي در اندازه ژنوم هستند، میباشد. ژنوم ذرت 12 برابر بزرگتر از ژنوم برنج است ولی هر دو آنها از نظر ترتیب ژنی بسیار شبیه به یکدیگر هستند. اختلاف در اندازه، بعلت افزایش شدید در تعداد ترنسپوزونها در ژنوم ذرت بوده که منجر به بسط فواصل بین ژنی و در مقیاس کمتر، اندازه نواحی اینترون میگردد.
برخلاف یوکاریوتها، تغییر در اندازه ژنوم در باکتریها اغلب منجر به تغییر مستقیم در تعداد ژنها میگردد که بیانگر فشردگی و تراکم ژنوم باکتریایی میباشد. فراوانی بسیار زیاد حذف در مقاسیه با درج در شبه ژنهاي موجود در ژنوم باکتريهاي همزیست و مهاجم نشان میدهد که فشردگی ژنوم باکتریایی عمدتا ناشی از انحرافات حذف شدگی می باشد.
