Nazariyani soddalashtirish - Streamlining theory - Wikipedia

Genomik soddalashtirish bu nazariya evolyutsion biologiya va mikrobial ekologiya reproduktiv foyda borligini anglatadi prokaryotlar kamroq bilan kichikroq genom hajmiga ega kodlamaydigan DNK va muhim bo'lmagan genlar kamroq.[1][2] Prokaryotik genom o'lchamlari juda ko'p o'zgaradi, eng kichik erkin yashovchi hujayraning genomi eng katta prokaryotdan o'n baravar kichikroq.[3] Eng kichik genomga ega bo'lgan bakterial taksonlardan ikkitasi Proxlorokokk va Pelagibakteriyalar,[4][5] ikkalasi ham juda ko'p dengiz bakteriyalari odatda topilgan oligotrofik mintaqalar. Shunga o'xshash kamaytirilgan genomlar madaniyatsiz dengiz bakteriyalarida topilgan va bu genomik soddalashtirishning odatiy xususiyati bakterioplankton.[6] Ushbu nazariya odatda oligotrof muhitdagi erkin tirik organizmlarga nisbatan qo'llaniladi.[1]

Umumiy nuqtai

Tanlangan organizmlar bo'yicha genom o'lchamlarini taqqoslash

Genomni soddalashtirish nazariyasi ma'lum prokaryotik ekanligini ta'kidlaydi genomlar boshqa prokaryotlar bilan solishtirganda kichik hajmga ega va hamma eukaryotlar, saqlashga qarshi tanlov tufayli kodlamaydigan DNK.[2][1] Kichik genom hajmining ma'lum afzalliklari tezroq kiradi genom replikatsiyasi hujayraning bo'linishi, ozuqa moddalariga bo'lgan ehtiyojning pastligi va bir-biriga bog'liq bo'lgan ko'plab genlarni osonroq birgalikda boshqarilishi uchun, chunki gen zichligi odatda genom hajmining pasayishi bilan ortadi.[2] Bu shuni anglatadiki, kichikroq genomga ega bo'lgan organizm ko'proq muvaffaqiyatga erishishi yoki undan yuqori bo'lishi mumkin fitness, ortiqcha miqdordagi keraksiz DNK to'sqinlik qilgandan ko'ra, bu kichik genom o'lchamlarini tanlashga olib keladi.[2]

Genomni soddalashtirishga asoslangan ba'zi mexanizmlarga quyidagilar kiradi o'chirish tarafkashlik va tanlovni tozalash.[1] O'chirish tarafkashligi - bu bakteriyalar genomlaridagi DNKning yo'qolish darajasi DNK olish darajasidan tabiiy ravishda yuqori bo'lgan hodisa.[2][7] Bu shunchaki bu ikki stavkaning farqidan kelib chiqadigan passiv jarayon.[7] Tozalash tanlovi - bu begona genlarni tanlab olish, bu genetik materialga ega bo'lmagan organizmlarni genom hajmini samarali ravishda kamaytirish orqali yanada muvaffaqiyatli qilishdir.[2][8] Organizmning yashashi uchun unchalik ahamiyatga ega bo'lmagan genlar va kodlamaydigan DNK segmentlari vaqt o'tishi bilan yo'qolishi ehtimoli ko'proq bo'ladi.[8]

Ushbu selektiv bosim yirik dengiz prokaryotida kuchliroqdir populyatsiyalar, chunki turlar ichidagi raqobat tez, samarali va arzonga ustunlik beradi takrorlash.[2] Buning sababi shundaki, populyatsiyaning katta soni bir xil tur vakillari o'rtasida raqobatni kuchaytiradi va shu bilan ko'payadi selektiv bosim va genom hajmining pasayishi bakteriyalar singari populyatsiya katta bo'lgan organizmlar orasida tezroq sodir bo'lishiga olib keladi.[2] Bu genomni soddalashtirish prokaryotik organizmlarda ayniqsa keng tarqalgan bo'lib ko'rinishini tushuntirishi mumkin, chunki ular eukaryotlarga qaraganda populyatsiya kattaligiga ega.[9]

Bundan tashqari, kichikroq genomga ega bo'lish prokaryotlarni ko'paytiradigan hujayraning umumiy hajmini minimallashtirishga yordam beradi sirt va hajm nisbati.[10] Sirt va hajm nisbati yuqori bo'lganligi, ularning kattaligiga mutanosib ravishda ko'proq ozuqa moddalarini olishiga imkon beradi, bu esa boshqa yirik organizmlarni ozuqa moddalari uchun engib o'tishga imkon beradi.[11][10] Ushbu hodisa, ayniqsa, ozuqaviy moddalar kamaygan suvlarda qayd etilgan.[10]

Genomik imzolar

Radiatsiyalangan organizmlarning genomik tahlili shuni ko'rsatdiki, past GK tarkibi, kodlanmaydigan DNKning past foizi va genlarning kam qismi kodlangan sitoplazmatik membrana oqsillar, periplazmik oqsillar, transkripsiyaviy ravishda bog'liq oqsillar va signal uzatish yo'llarning barchasi erkin yashovchan soddalashtirilgan prokaryotik organizmlarga xosdir.[6][4][12] Ko'pincha, yuqori darajada soddalashtirilgan organizmlarni laboratoriyada kultivatsiya qilish yo'li bilan ajratib olish qiyin (SAR11 bu asosiy misol).[6][4]

Model organizmlar

Pelagibakteriyalar (SAR11)

Pelagibakteriyalar ning a'zolari SAR11 qoplamasi, a geterotrofik okean bo'ylab tarqalgan va juda keng tarqalgan dengiz guruhi.[4] Ushbu mikroblar eng kichik genomga ega va eng kam sonini kodlashadi O'qish doiralarini oching sessiyasiz mikroorganizmlarning har biri.[4] P. ubique to'liq biosintez yo'llari va 20 ning sintezi uchun barcha zarur fermentlarga ega aminokislotalar va faqat bir nechtasi etishmaydi kofaktorlar genomning kichikligiga qaramay. Ushbu mikroorganizm uchun genom kattaligiga "psevdogenlar, intronlar, transpozonlar, ekstrakromosomal elementlar yoki inteinlar" etishmasligi erishiladi. Genom tarkibida ham kamroq paraloglar bir xil kladaning boshqa a'zolari bilan taqqoslaganda va eng kalta intergenik ajratgichlar har qanday tirik hujayra uchun.[4] Ushbu organizmlarda ozuqaviy ozuqalarga ega bo'lgan okeanlarda resurslardan unumli foydalanish uchun selektsiya sodir bo'lganda, selektsiya va genlarning yo'qotilishi soddalashtirilganligi sababli ozuqaviy moddalarga bo'lgan talablar aniqlandi.[13] Ushbu kuzatishlar shuni ko'rsatadiki, ba'zi mikroblarning ozuqaviy ehtiyojlari g'ayrioddiy bo'lgani uchun laboratoriya sharoitida o'sishi qiyin bo'lishi mumkin.[13]

Proxlorokokk

Shaxsiy Proxlorokokk hujayra

Proxlorokokk dominantlardan biridir siyanobakteriyalar va oligotrof suvlarda birlamchi ishlab chiqarishning asosiy ishtirokchisi hisoblanadi.[14] Bu Yerda qayd etilgan eng kichik va eng ko'p fotosintez qiluvchi organizm.[14] Siyanobakteriyalar sifatida ular ozuqa moddalarini juda zaif bo'lgan muhitga moslashish qobiliyatiga ega, chunki ular energiyani nurdan saqlaydi.[15] The azotni assimilyatsiya qilish yo'li bu organizmda organizmlarning yashash joylarining ozuqaviy cheklanishlariga moslashish uchun sezilarli darajada o'zgartirilgan.[15] Ushbu moslashuvlar genomdan asosiy fermentlarni olib tashlashga olib keldi, masalan nitrat reduktaza, nitrit reduktaza va ko'pincha urease.[15] Ba'zi siyanobakteriyalardan farqli o'laroq, Proxlorokokk atmosfera azotini tuzatishga qodir emas (N2).[16] Ushbu tur tomonidan ishlatiladigan yagona azot manbalari ammiak bo'lib, u ferment orqali glutamat tarkibiga kiradi. glutamin sintetaza va nitrat ishlatilishi bilan solishtirganda kam energiya sarflaydi, va ba'zi turlarda karbamid.[16] Bundan tashqari, metabolik tartibga solish tizimlari Proxlorokokk juda soddalashtirilgan deb topildi.[15]

Azotni mustahkamlovchi dengiz siyanobakteriyalari (UCYN-A)

Sianobakteriyalar ko'lda gullaydi

Azotni fiksatsiya qiluvchi dengiz siyanobakteriyalari ma'lumki, fermentlar yordamida noorganik azotni biriktirib, okeanlarda kislorod hosil bo'lishini qo'llab-quvvatlaydi. nitrogenaza.[17] Ushbu bakteriyalarning maxsus qismiga, UCYN-A, etishmasligi aniqlandi fotosistem II odatda ishlatiladigan kompleks fotosintez va u bir qator asosiy metabolik yo'llarga ega emas, ammo baribir yorug'lik manbasidan energiya ishlab chiqarish uchun elektron transport zanjiridan foydalanishga qodir.[17] Bundan tashqari, anabolik valin, lösin va izolösin kabi aminokislotalarni yaratish uchun zarur bo'lgan fermentlar, shuningdek, ularning ba'zilari fenilalanin, tirozin va triptofan biosinteziga olib keladi.

Ushbu organizm majburiy bo'lib tuyuladi fotogeterotrof energiya ishlab chiqarish uchun uglerod substratlaridan va biosintez uchun ba'zi biosintez materiallaridan foydalanadi. UCYN-A kichraytirilgan, lekin tuzilishi jihatidan xloroplastlarnikiga o'xshash 1,44 Megabazadan tashkil topgan kamaytirilgan genomni ishlab chiqqanligi aniqlandi.[17] Kabi turlar bilan taqqoslaganda Crocosphaera watsonii va Siyanot uzunligi 5,46 dan 6,24 megabazaga qadar bo'lgan genomlarni ishlatadigan sp., UCYN-A genomi ancha kichik. Siqilgan genom - bu "1214 aniqlangan oqsil kodlash hududi" bo'lgan bitta, dumaloq xromosoma.[17] UCYN-A genomi, okean suvlari bo'ylab yuqori darajada saqlanib qolgan (> 97% nukleotid identifikatori), bu okean mikroblariga xos emas. UCYN-A genomining xilma-xilligi, nitrogenaza mavjudligi va gidrogenaza uchun fermentlar TCA tsikli, DNKning genom kattaligi va kodlash samaradorligining pasayishi ushbu mikroorganizm simbiyotik turmush tarziga ega bo'lishi va uy egasi bilan yaqin aloqada yashashi mumkin. Biroq, ushbu mikrobning haqiqiy hayot tarzi noma'lum bo'lib qolmoqda.[17]

Kichik genomlarning alternativ holatlari

Bakteriyalar simbiontlari, komensallar, parazitlar va patogenlar

Bakteriyalarning simbionlari, komensallar, parazitlar va patogenlar ko'pincha erkin tirik organizmlarga qaraganda kamroq kichik genlarga va kamroq genlarga va patogen bo'lmagan bakteriyalarga ega.[1] Ular o'zlarining "asosiy" metabolik repertuarlarini kamaytiradi, bu esa ularni uy egasi va atrof-muhitga ko'proq bog'liq qiladi.[1] Ularning genom qisqarishi soddalashtirilgan erkin tirik organizmlarga qaraganda turli xil evolyutsion mexanizmlar orqali sodir bo'ladi.[18] Patogen organizmlar tufayli genom kamayishiga olib keladi deb o'ylashadi genetik drift, dan ko'ra tanlovni tozalash.[18][1] Genetik siljish katta va dominant populyatsiyalarga emas, balki mikroblar hamjamiyatidagi kichik va samarali populyatsiyalar tufayli yuzaga keladi.[1] Bunday holda, DNK mutatsiyalari tasodifan ro'y beradi va shuning uchun ko'pincha moslashuvchan bo'lmagan genom degradatsiyasiga va jismoniy tayyorgarlikning pasayishiga olib keladi.[18] Replikatsiya paytida jismoniy tayyorgarlikni oshirish uchun kodlamaydigan DNK mintaqalarini yoki begona genlarni yo'qotish o'rniga, ular metabolizmning ba'zi "yadro" genlarini yo'qotadilar, ular endi o'z xosti, simbiont yoki atrof-muhit bilan to'ldirilishi mumkin.[18] Ularning genomini kamaytirish fitnesga kamroq bog'liq bo'lgani uchun, psevdogenlar bu organizmlarda tez-tez uchraydi.[1] Ular, shuningdek, odatda past stavkalarga duch kelishadi gorizontal genlarning uzatilishi (HGT).

Viruslar, prokaryotlar va eukariotlarning genom kattaligi o'zgarishi

Viruslar

Virusli genomlar prokaryotik genomlarga o'xshaydi, chunki ularning kodlash hududlari juda kam.[19] Ammo ular prokaryotik genomlardan sezilarli darajada kichikdir. Viruslar mavjud majburiy hujayra ichidagi parazitlar, virusni muvaffaqiyatli yuqtirganida yuzaga keladigan kuchli tozalovchi tanlov tufayli virusli genomlar soddalashtirilgan hisoblanadi mezbon.[20][21] Ning dastlabki bosqichida infektsiya, katta bor darcha ko'proq genetik xilma-xillikni ta'minlaydigan virus populyatsiyasi uchun, ammo bu viruslarning tez ko'payishi tufayli populyatsiya soni tezda tiklanadi va populyatsiyada xilma-xillik kamayadi.[21]

RNK viruslari xususan, juda kichik genomlarga ega ekanligi ma'lum.[22] Bu hech bo'lmaganda qisman ular borligi bilan bog'liq bir-birini qoplaydigan genlar.[22] Genom hajmini kamaytirish orqali ular tezroq replikatsiya tufayli o'zlarining jismoniy tayyorgarligini oshiradilar.[22] Keyinchalik virus tezroq ko'payish tezligi bilan aholi sonini tezroq ko'paytirishi mumkin.

Eukaryotlar - qushlar

Genomik soddalashtirish ba'zi bir ökaryotik genom o'lchamlarini, xususan qushlarning genomlarini tushuntirish uchun ishlatilgan. Kattaroq genomlar uchun katta yadro kerak, bu odatda hujayralarning kattaroq hajmiga aylanadi.[23] Shu sababli, ko'plab qushlarning genomlari hajmi kamayishi uchun tanlangan bosim ostida bo'lgan.[23][24] Kattaroq hujayralar tufayli katta massa bilan uchish kichikroq massaga qaraganda energetik jihatdan qimmatroq.[24]

Adabiyotlar

  1. ^ a b v d e f g h men Giovannoni SJ, Kameron Thrash J, Temperton B (avgust 2014). "Mikrobiyal ekologiya uchun soddalashtirish nazariyasining ta'siri". ISME jurnali. 8 (8): 1553–65. doi:10.1038 / ismej.2014.60. PMC  4817614. PMID  24739623.
  2. ^ a b v d e f g h Sela I, Wolf YI, Koonin EV (oktyabr 2016). "Prokaryotik genom evolyutsiyasi nazariyasi". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 113 (41): 11399–11407. doi:10.1073 / pnas.1614083113. PMC  5068321. PMID  27702904.
  3. ^ Koonin EV, Wolf YI (2008 yil dekabr). "Bakteriyalar va arxa genomikasi: prokaryotik dunyoning paydo bo'layotgan dinamik ko'rinishi". Nuklein kislotalarni tadqiq qilish. 36 (21): 6688–719. doi:10.1093 / nar / gkn668. PMC  2588523. PMID  18948295.
  4. ^ a b v d e f Giovannoni SJ, Tripp HJ, Givan S, Podar M, Vergin KL, Baptista D, Bibbs L, Eads J, Richardson TH, Noordewier M, Rappé MS, Short JM, Carrington JC, Mathur EJ (Avgust 2005). "Genom kosmopolit okean bakteriyasida soddalashtirilgan". Ilm-fan. 309 (5738): 1242–5. Bibcode:2005 yil ... 309.1242G. doi:10.1126 / science.1114057. PMID  16109880. S2CID  16221415.
  5. ^ Dufresne A, Salanoubat M, Partenskiy F, ​​Artiguenave F, Axmann IM, Barbe V, Duprat S, Galperin MY, Koonin EV, Le Gall F, Makarova KS, Ostrowski M, Oztas S, Robert C, Rogozin IB, Scanlan DJ, Tandeau de Marsac N, Weissenbach J, Wincker P, Wolf YI, Hess WR (avgust 2003). "Prochlorococcus marinus SS120 siyanobakteriyasining genom ketma-ketligi, deyarli minimal oksifototrofik genom". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 100 (17): 10020–5. doi:10.1073 / pnas.1733211100. PMC  187748. PMID  12917486.
  6. ^ a b v Swan BK, Tupper B, Sczyrba A, Lauro FM, Martinez-Garsiya M, Gonsales JM, Luo H, Rayt JJ, Landri ZC, Xanson NW, Tompson BP, Poulton NJ, Shvientek P, Acinas SG, Giovannoni SJ, Moran MA, Hallam SJ, Cavicchioli R, Voyke T, Stepanauskas R (iyul 2013). "Okean yuzasida planktonik bakteriyalarning genomini soddalashtirish va kenglik bo'yicha divergentsiyasi" (PDF). Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 110 (28): 11463–8. Bibcode:2013PNAS..11011463S. doi:10.1073 / pnas.1304246110. PMC  3710821. PMID  23801761.
  7. ^ a b Mira A, Ochman H, Moran NA (oktyabr 2001). "Deletion tarafkashlik va bakteriyalar genomlari evolyutsiyasi". Genetika tendentsiyalari. 17 (10): 589–96. doi:10.1016 / s0168-9525 (01) 02447-7. PMID  11585665.
  8. ^ a b Molina N, van Nimvegen E (2008 yil yanvar). "Bakteriyalarda kodlamaydigan holatlarda selektsiyani tozalashning universal namunalari". Genom tadqiqotlari. 18 (1): 148–60. doi:10.1101 / gr.6759507. PMC  2134783. PMID  18032729.
  9. ^ Lynch M, Conery JS (2003 yil noyabr). "Genom murakkabligining kelib chiqishi". Ilm-fan. 302 (5649): 1401–4. Bibcode:2003 yil ... 302.1401L. CiteSeerX  10.1.1.135.974. doi:10.1126 / science.1089370. PMID  14631042. S2CID  11246091.
  10. ^ a b v Chen B, Liu H (2010 yil mart). "Fitoplankton o'sishi va sirt okeanlaridagi hujayralar kattaligi o'rtasidagi munosabatlar: harorat, ozuqa moddalari va boqishning interaktiv ta'siri". Limnologiya va okeanografiya. 55 (3): 965–972. Bibcode:2010LimOc..55..965C. doi:10.4319 / lo.2010.55.3.0965.
  11. ^ Kotner JB, Biddanda BA (mart 2002). "Kichik o'yinchilar, katta rol: Pelagik suv ekotizimlarida biogeokimyoviy jarayonlarga mikroblarning ta'siri". Ekotizimlar. 5 (2): 105–121. CiteSeerX  10.1.1.484.7337. doi:10.1007 / s10021-001-0059-3. S2CID  39074312.
  12. ^ Lauro FM, McDougald D, Tomas T, Uilyams TJ, Egan S, Rays S, DeMaere MZ, Ting L, Ertan H, Jonson J, Ferriera S, Lapidus A, Anderson I, Kirpides N, Munk AC, Detter C, Xan CS. , Brown MV, Robb FT, Kjelleberg S, Cavicchioli R (sentyabr 2009). "Dengiz bakteriyalaridagi trofik strategiyaning genomik asoslari". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 106 (37): 15527–33. doi:10.1073 / pnas.0903507106. PMC  2739866. PMID  19805210.
  13. ^ a b Carini P, Steindler L, Beszteri S, Giovannoni SJ (2013 yil mart). "HTCC1062 Candidatus Pelagibacter ubique ekstremal oligotrofini" belgilangan muhitda o'sishi uchun ozuqa moddalariga talablar ". ISME jurnali. 7 (3): 592–602. doi:10.1038 / ismej.2012.122. PMC  3578571. PMID  23096402.
  14. ^ a b Biller SJ, Berube PM, Lindell D, Chisholm SW (yanvar 2015). "Proxlorokokk: kollektiv xilma-xillikning tuzilishi va vazifasi". Tabiat sharhlari. Mikrobiologiya. 13 (1): 13–27. doi:10.1038 / nrmicro3378. hdl:1721.1/97151. PMID  25435307. S2CID  18963108.
  15. ^ a b v d García-Fernández JM, de Marsac NT, Diez J (2004 yil dekabr). "Oligotrofik muhitda azotni optimallashtirish uchun Prochlorococcus-da moslashuvchan mexanizm sifatida tartibga solish va genlarning yo'qolishi". Mikrobiologiya va molekulyar biologiya sharhlari. 68 (4): 630–8. doi:10.1128 / MMBR.68.4.630-638.2004. PMC  539009. PMID  15590777.
  16. ^ a b Jonson ZI, Lin Y (iyun 2009). "Proxlorokokk: eksport uchun tasdiqlangan". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 106 (26): 10400–1. Bibcode:2009PNAS..10610400J. doi:10.1073 / pnas.0905187106. PMC  2705537. PMID  19553202.
  17. ^ a b v d e Tripp HJ, Bench SR, Turk KA, Foster RA, Desany BA, Niazi F, Affourtit JP, Zehr JP (mart 2010). "Ochiq okeandagi azotni biriktiruvchi siyanobakteriyada metabolizmni soddalashtirish". Tabiat. 464 (7285): 90–4. Bibcode:2010 yil Noyabr 464 ... 90T. doi:10.1038 / nature08786. PMID  20173737. S2CID  205219731.
  18. ^ a b v d Weinert LA, Welch JJ (dekabr 2017). "Nima uchun bakteriyalar patogenlari kichik genomga ega bo'lishi mumkin?". Ekologiya va evolyutsiya tendentsiyalari. 32 (12): 936–947. doi:10.1016 / j.tree.2017.09.006. PMID  29054300.
  19. ^ Koonin EV (fevral 2009). "Genom me'morchiligining evolyutsiyasi". Xalqaro biokimyo va hujayra biologiyasi jurnali. 41 (2): 298–306. doi:10.1016 / j.biocel.2008.09.015. PMC  3272702. PMID  18929678.
  20. ^ Zvart MP, Erro E, van Oers MM, de Visser JA, Vlak JM (may 2008). "Vivo jonli ravishda yuqadigan infektsiyaning pastligi selektsiyani bakulovirusni yo'q qilish mutantlaridan tozalashga olib keladi". Umumiy virusologiya jurnali. 89 (Pt 5): 1220-4. doi:10.1099 / vir.0.83645-0. PMID  18420800.
  21. ^ a b Zvart deputat, Uillemsen A, Daruss JA, Elena SF (yanvar 2014). "O'simliklar RNK virusida pseudogenizatsiya va genlarni yo'qotish bo'yicha eksperimental evolyutsiya". Molekulyar biologiya va evolyutsiya. 31 (1): 121–34. doi:10.1093 / molbev / mst175. hdl:10251/72658. PMC  3879446. PMID  24109604.
  22. ^ a b v Belshaw R, Pybus OG, Rambaut A (oktyabr 2007). "RNK viruslarida genom siqilish evolyutsiyasi va genomik yangilik". Genom tadqiqotlari. 17 (10): 1496–504. doi:10.1101 / gr.6305707. PMC  1987338. PMID  17785537.
  23. ^ a b Kapusta A, Suh A, Feshhotte C (2017 yil fevral). "Qushlar va sutemizuvchilar genom kattaligi evolyutsiyasining dinamikasi". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 114 (8): E1460-E1469. doi:10.1073 / pnas.1616702114. PMC  5338432. PMID  28179571.
  24. ^ a b Rayt NA, Gregori TR, Witt CC (mart 2014). "Parvozlarni boshqaruvchi metabolik" dvigatellari "qushlarning genom hajmini kamaytirish". Ish yuritish: Biologiya fanlari. 281 (1779): 20132780. doi:10.1098 / rspb.2013.2780. PMC  3924074. PMID  24478299.