Как могут развиваться генные кластеры, подобные lac оперону?

Опероны часто, но не всегда, содержат кластеры генов (под контролем операторной области), которые участвуют в одном и том же метаболическом пути. Было несколько теорий возникновения этих групп генов, но нынешнее мнение, по-видимому, основано на регуляции рассматриваемых генов 1 . Чтобы облегчить скоординированную регуляцию генов, мог быть сильный отбор для физического кластеризации генов, вовлеченных в конкретный процесс. Будучи физически сгруппированными, это также означает, что все гены в пределах данного оперона, вероятно, подвергаются одному и тому же ремоделированию хроматина и затем будут легче включаться и выключаться при соответствующих условиях, т. е. все они включаются, когда они необходимы, и выключаются, когда они необходимы. не.

Опероны с похожим расположением генов были обнаружены у разных микроорганизмов, что привело к мысли, что оперон был древним и эволюционно законсервированным устройством [2]. Рисунок ниже от Fani et al. 2005 представляет два возможных способа создания текущего состояния организации генома современных протеобактерий.

Если бы оперон был древним механизмом, мы бы предсказали высокую консервативность генов внутри оперонов; но анализ генома различных микроорганизмов показывает, что это не так (т.е. консервативность генов низкая, а опероны довольно нестабильны). Соответственно, другой автор предполагает, что из-за отсутствия консервации структура оперона довольно пластична и может легко изменяться в процессе эволюции [3]. Действительно, Фари и др. в своей статье заключают, что оперон биосинтеза гистидина был результатом конструирования или реконструкции разрозненных генов, а не происхождения древнего устройства:

Наша модель предполагает, что организация его гена в существующих протеобактериях возникла из-за рассеяния генов в геноме протеобактериального предка. Модель также предсказывает, что все или большинство его генов (за исключением hisD) были монофункциональными и что они подвергались прогрессивной кластеризации и компактизации, которые происходили вместе с событиями перекрытия и слияния генов.

Они нашли, как вы предположили, доказательства нескольких генных модификаций, включая удлинение, дупликацию и слияние генов. Что касается того, что вызвало прогрессирующую кластеризацию, см . снова ссылку 1 .

Очевидно, что разные опероны, вероятно, будут формироваться по-разному у разных организмов, и я не думаю, что мы можем полностью исключить аргумент о «древнем расположении». Это довольно широкая и запутанная тема, и есть много литературы, я надеюсь, что примеры, которые я выбрал и перечислили, будут полезны!

1 Осборн А. и Филд Б. Опероны. Клетка. Мол. Жизнь наук. (2009) 66: 3755–3775

[2] Фани и др. Происхождение и эволюция оперонов: кусочное построение протеобактериального гистидинового оперона. Дж. Мол Эвол (2005) 60: 378–390

[3] Ито и др. Эволюционная нестабильность структур оперонов, обнаруженная путем сравнения последовательностей полных микробных геномов. Мол Биол Эвол (1999) 16 (3): 332–346