Эволюция гена - быстро или медленно?

В геномах эукариот разбросаны длинные участки последовательности, которые не кодируют белки или РНК. Хотя некоторые из этих регионов содержат важные регуляторные последовательности, подавляющее большинство этой ДНК не выполняет каких-либо известных функций. Как правило, именно в этих областях генома наблюдаются самые быстрые изменения с точки зрения эволюции, потому что на эти области обычно не действует давление отбора с целью сохранения их последовательностей.

Напротив, области, которые кодируют белок, могут испытывать высокое давление отбора, поскольку любые изменения в их последовательности, скорее всего, приведут к белку, который менее способен оптимально выполнять свою функцию. Однако иногда мутация в одном из этих регионов приводит к благоприятному результату, который способствует общей приспособленности организма, и такие мутации часто сохраняются и могут даже фиксироваться в популяциях. Если сравнить частоты этих мутаций с относительно регулярными изменениями, наблюдаемыми в некодирующих последовательностях, они происходят чрезвычайно редко, и поэтому в целом кодирующие области считаются медленно эволюционирующими.

Верно также и то, что среди кодирующих последовательностей существуют различные уровни консервативности последовательности, и это наблюдается у всех организмов. Например, возьмем рецепторный белок. Такие белки обычно содержат различные области, выполняющие такие функции, как связывание лиганда или внутриклеточная передача сигналов, или интеграция в мембрану. В этом случае мутация в регионе, участвующем в связывании лиганда, может привести к образованию белка, который менее эффективно связывает лиганд. Следовательно, давление отбора, вероятно, будет высоким в отношении конкретных нуклеотидов, кодирующих эту часть белка. Однако на участке белка, который пронизывает мембрану, при замене аминокислоты может наблюдаться меньший эффект, и, следовательно, будет более низкий уровень давления отбора. В этих условиях мы можем увидеть, что две области одного и того же белок-кодирующего гена могут иметь разную скорость эволюции.

Секвенирование генов или геномных областей для построения филогении

Эта различия в скоростях эволюции генома в разных регионах могут быть изучены для ответа на вопросы о эволюционных отношениях. Гены и области генов могут быть выбраны и секвенированы у групп индивидуумов, чтобы ответить на столь частные вопросы, как “являются ли эти популяции потенциально разными видами?” или настолько общие, как “каково место этих типов на древе жизни?”. В первом случае выбор гена с относительно слабо консервативной областью поможет выявить различия на уровне популяций. И наоборот, чтобы ответить на вопросы по таким разнообразным группам, как типы, высококонсервативный участок гена может обеспечить достаточную гомологию для построения филогении таких групп. Часто используемые области для такого молекулярного филогенетического анализа включают гены рибосомной рРНК (например, 16s рРНК, 18s рРНК или 28s рРНК) или геномные области, известные как ITS (внутренние транскрибируемые спейсеры I или II), которые находятся между генами рибосомной рРНК разных субъединиц.