МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ БЕЛОК-КОДИРУЮЩИХ ГЕНОВ

Дата публикации: 2020

Аннотация:

В обзорной статье рассмотрены различные механизмы возникновения белок-кодирующих генов в эволюции. У прокариот важными источниками новых белков служат внегеномные элементы – плазмиды, интегроны, CRISPR и бактериофаги, гены вспомогательного набора которых в ходе эволюции переходят в базовые. В интеграции новых последовательностей в геном при этом ключевую роль играют транспозоны, ретроэлементы и некодирующие РНК, оказывающие регуляторный эффект в адапатации. Возникновение эукариот связано с глобальным распространением мобильных элементов, которые способствовали увеличению размеров геномов за счет формирования сложных регуляторных структур и генов некодирующих РНК, формируя интроны и межгенные области. Кроме того, транспозоны у эукариот оказались важными источниками белок-кодирующих генов за счет образования ретрокопий, экзонизации инсерций, одомашнивания генов транспозонов. Эффективность распространения мобильных элементов связана с образованием доменных структур их транскриптов (в том числе представленных некодирующими РНК) и продуктов трансляции, способных взаимодействовать с регуляторными последовательностями транспозонного происхождения в геноме и другими молекулами. Обнаруженная способность некодирующих РНК транслироваться в функциональные пептиды позволяет предположить данный механизм в качестве возможного источника формирования новых белок-кодирующих генов. Предполагается, что эволюция эукариот обусловлена совершенствованием универсальных систем регуляции работы геномов, развившихся в качестве систем защиты хозяев от транспозонов и вирусов. К данным системам относятся РНК-интерференция, сплайсинг, контроль структуры генома посредством гистонов, теломер и метилирования ДНК. Одной из причин возникновения комплекса систем могло быть физическое разобщение генов, участвующих в единых биохимических процессах (оперон у прокариот) в связи с многочисленными инсерциями с привлечением регуляторных элементов транспозонов, которые не только компенсировали данное разобщение, но и предоставили возможность более координированной динамической регуляции работы генома.

Издатель: Российская академия наук (Москва)

Тип: Article

УДК: 575.224.4



BASIC MECHANISMS OF THE ORIGIN AND EVOLUTION OF PROTEIN-CODING GENES

Publication date: 2020

Abstract:

In the review, we presented various mechanisms for the formation of new genes of functional proteins in evolution. For prokaryotes, extragenomic elements – plasmids, integrons, CRISPR and bacteriophages – serve as important sources of new proteins, the genes of an auxiliary set of which turn into basic ones during evolution. In the integration of new sequences into the genome, a key role is played by transposons, retroelements and non-coding RNAs, which have a regulatory effect in adaptation. The emergence of eukaryotes is associated with the global spread of mobile elements that have formed introns and intergenic regions, and also contributed to the increase in the size of genomes due to the formation of complex regulatory structures and genes of non-coding RNAs. Moreover, transposons in eukaryotes have proved to be important sources of protein-coding genes due to the formation of retrocopies, exonization of insertions, domestication of transposon genes. The reason for the effectiveness of the global spread of mobile elements in eukaryotes is the formation of domain structures of their transcripts (including those represented by non-coding RNAs) and translation products that are able to interact with regulatory sequences of transposon origin in the genome. The detected ability of non-coding RNAs to be translated into functional peptides suggests this mechanism as a possible source of formation of new protein-coding genes in evolution. We suggest that the evolution of eukaryotes is due to the improvement of universal systems of regulation of the genomes that have developed as systems protecting hosts from transposons and viruses. These systems include RNA interference, splicing, control of the structure of the genome through histones, telomeres and DNA methylation. One of the reasons for the formation of a complex of these systems was the physical separation of genes participating in unified biochemical processes (operon in prokaryotes) caused by numerous insertions, involving regulatory elements of transposons that not only compensated for this dissociation, but also provided an opportunity for more coordinated dynamic regulation of the genome.

Издатель: Российская академия наук (Москва)

Тип: Article

УДК: 575.224.4