2001 februárja fontos időpont a genomok megismerésének történetében: a Celera és az International Humán Genome Seguencing Consortium publikációja kb. 30.000-re tette az emberi gének számát. Az RNS-molekulákat, mint végleges kimeneti terméket kódoló géneket kivették a további analízisből, és fehérje kódoló génekre koncentráltak. A továbbiakban a fehérjék teljes készlete egy organizmusban a proteomára, és az ezt kódoló génkészletre szorítkozunk. Miután a gének nagy többsége fehérjét kódol, a proteóma jól reprezentálja a genomot.

Nagyon látványos eredményeket hozott az az elemzés, amelynek során azt vizsgálták, hogy génjeinknek hány %-a közös a különböző organizmusokkal? Génjeink 21%-a mutat rokonságot minden sejtes létformával – ide tartoznak pl. a „háztartási gének” (housekeeping genes), amelyek az alapvető celluláris működéseket szabályozzák. Figyelembe véve, hogy a legrégibb ismert fosszilis sejtek körülbelül 3500 millió évesek, és talán az összes háztartási gén megvolt már a baktériumokkal való közös ősünkben, biztosan jóval több, mint 3,5 milliárd éve, és csak „kicsit” változnak az évmilliárdok alatt, evolúciójuk a legtöbb más génhez viszonyítva nagyon lassú. Kissé egyszerűsítve feltehetjük, hogy „DNS-ünk” átlagosan 10-100-szor másolódott évente baktérium őseink óta. Ha egy gén 3,5 milliárd éve létezett, százmilliárd (10¹¹) osztódás zajlott le, a másolás feltétlenül nagyon pontos, és a génre ható szelekció minden bizonnyal nagyon erős, ha mindmáig ilyen mértékű hasonlóság van a baktériumokban és bennünk. Túlzás nélkül állíthatjuk, hogy ezek a génjeink az idők legmélyét visszhangozzák!

Génjeink másik 32%-a génjeinknek közös minden eukariótával: ezek is celluláris háztartási (housekeeping) gének, de az eukarióta sejtek jóval komplexebbek a prokariótáknál (hogy másra ne gondoljunk, a Tetrahymena egyes fajainak genomjában kb. ugyanannyi gén van, mint a miénkben), így alapvető funkcióikat is többféle fehérje látja el.

Génjeink újabb 24%-át osztjuk meg az állatokkal. Az „állati” gének magukba foglalják a fejlődést szabályozó géneket, pl. a Hox géneket.

Génjeink 22%-a közös a gerincesekkel. Ezek a gének jóval több mint 500 millió évesek. Elsősorban az immun- és idegrendszerben működő gének tartoznak ide. Emberben például kb. 100 gén kódolja az immunrendszert, míg 10 körüli számú a légyben és féregben. Maximálisan 1%, amit nem osztunk meg az egérrel, ami felveti a kérdést, van-e egyáltalán olyan génünk, ami csak ránk, emberekre jellemző? (Lásd 1. fejezet egérrel foglalkozó részei)

Noha az ismertetett eredmények nagyon izgalmasak, csak egy hosszú út kezdetét jelentik. Több genom megszekvenálása nyilvánvalóan pontosabb áttekintés ad. A gének felismerése „nyers” szekvenciákból komoly fejlődésen esett át az utóbbi években. A becsléseknél egy fontos tényezőt, az alternatív splicingot sem vették figyelembe.

A homológiát relatív szekvencia hasonlóság alapján állapították meg, ami azon alapul, hogy egy adott humán fehérje sokkal hasonlóbb a kérdéses fehérjéhez, mint egy random fehérje. Konzerválódott, lassan evolválódó fehérjékre viszonylag pontos eredmény adódik, de a gyorsan evolválódókra – félrevezető lehet. Előfordulhat például, hogy prokarióták homológ génje esetleg „felismerhetetlen” a sok változás miatt, így alulbecsüljük a homológok számát. Komoly mértékben finomultak a homológiakritériumok, a módszerek és az adatok az utóbbi néhány évben.

A duplikációkról a későbbiekben többször is szólunk, most nem az egyes gének, hanem nagyobb egységek megkettőződésére, ill. ezek evolúciós jelentőségére koncentrálunk.

A genomok egésze vagy egy része változtathatja méretét duplikációval vagy delécióval. A deléciók és duplikációkl eleinte ritkák a populációban, megjelenhetnek egyedi mutációként, aztán a természetes szelekció vagy genetikai sodródás révén frekvenciájuk emelkedhet, és ahogy elterjednek a populációban, a faj genomjának mérete megváltozik. Egy modern faj genomjának ismeretében kikövetkeztethető, mikor jelentek meg a duplikációk és deléciók a múltban, és hogy az evolúciós események összekapcsolhatók a genomméret változásaival?

Az Arabidopsis thaliana, lúdfű talán a legfontosabb növényi modellorganizmus.Teljes genomjának szekvenciája 2000. decemberében készült el. A genom-analízis arra utalt, hogy nagy génblokkok fordulnak elő, amelyek duplikátumoknak tűnnek. Vision és munkatársai (2000) 103 olyan génblokkot vizsgált meg, amely legalább 7 gént tartalmaztak. Minden duplikátum-párra összevetették a (paralóg)génpárok tagjait, majd molekuláris óra adatokból következtették ki a duplikáció idejét. A legtöbb duplikáció 100, 140, 170 millió évvel ezelőtt történt, míg néhány kb. 200 ill. 50 mmillió évvel ezelőtt.

A modern Arabidopsis genomban tehát 3-5 nagyobb duplikációs időszak mutatható ki. Ezek a duplikációk 100-200 millió éve történtek, a mezozoikumban, amely alapvető jelentőségű időszak a zárvatermők fejlődése szempontjából, bár kialakulásuk ideje bizonytalan.A kétszikűek molekuláris óra szerint 180-210 millió évvel ezelőtt (közkeletű jelöléssel: mya= million years ago) váltak el az egyszikűektől, ennek az időpontnak a 200 millió évvel ezelőtti duplikációs csúcs megfelelhet. Ha ez így van, a zárvatermők evolúciójának legalábbis egy áttörése, a kétszíkűek kialakulása kapcsolatban lehet a génszám megemelkedésével.

Egy másik fontos genomevolúciós esemény, amelyet régóta kapcsolatba hoztak duplikációs eseményekkel, a gerincesek eredete. Ohno 1970-ben, a gerincesek és gerinctelenek körében végzett korai DNS tömeg mérések alapján arra a következtetésre jutott, hogy a teljes genom kétszer kettőződött meg nem sokkal a gerincesek kialakulása előtt. A gerinces (Vertebrata) genomok tömege megközelítőleg négyszeresének adódott a nem-gerinces genomokénak Ohno mintáiban. Hipotézisét sokszor „2R” („2 round”) – hipotézisként említik, a genomkettőződés két “menete” miatt. Ha a gének száma négyszeresére nőtt a gerincesek eredetekor, a többlet gének magyarázatot adhatnak a gerincesek eredetére. Régóta feltételezték, hogy a gerinces ős teljes genomja duplikálódott az állkapcsos gerincesek közös ősében, majd újabb duplikációs esemény történt a halak ősében. Az elméletet nem vették komolyan, amíg a kései ’80-as években ki nem derült, hogy a vertebrátáknak 4 Hox-gén-klaszterük van – ami, úgy tűnt, hogy támogatja Ohno elképzelését. Megjegyezzük, hogy a csontoshalaknak általában 7 Hox-komplexük van, ami az ősükben történt újabb duplikációs esemény mellett szól.

Sok gén nagy kromoszómarészletek („blokkok”) részeként, vagy akár teljes genomok részeként, elsősorban poliploidizációkor duplikálódik . A hasonló események mellett szóló bizonyíték, hogy sok duplikált gén DNS-szekvenciájuk összehasonlító elemzése alapján megközelítőleg ugyanannyi ideje különült el egymástól. Hogy a „megközelítőleg”, ezúttal nem töltelékszóként alkalmazott kifejezés mit is fed, arra a következő magyarázatok lehetségesek: (1.) a teljes genom - ahogy Ohno eredetileg elképzelte - robbanásszerűen kettőződött meg, közkedvelt kifejezéssel „big bang” történt. (2.) A genom döntő része darabonként duplikálódott az idők folyamán („continuous mode”) modell.

Hogy melyik feltevés az igaz, vizsgálható nagyszámú duplikált paralóg génpár vizsgálatával, a molekuláris óra koncepció megfontolt, gondos alkalmazásával vizsgálható. A nagyléptékű teszteket a genomprogramok tették lehetővé.

Csalódást jelentett Ohno híveinek, hogy a gének számában, a gerincesek és gerinctelenek között nincsen négyszeres különbség! A génszámok: emberben 30.000, Drosophilaban 13.600, C.elegansban 19.000 körüliek. Ezek az adatok azt sugallják, hogy gének veszhettek el a két duplikáció után. Lehetett 15.000-ről 60.000-re növekedés is, ekkor csaknem fele elveszhetett az új génpéldányoknak.

Erőteljesebb tesztet jelent a génfák alakjának analízise. A tesztre elviekben bármely gén használható, amelynek gerinceseknél 4 paralógja van, míg a gerincteleneknél 1 kópia van jelen. Ha a „2R” hipotézis helyes, akkor valamennyi gén ugyanabból a „két környi” duplikációból származik, ami a gerincesek létrejöttekor zajlott le, a 4 gén fája „szimmetrikus”.

Hughes és Martin analízise szerint a fák általában nem szimmetrikusak, amiből az következik, hogy az extra gének minden valószínűség szerint sokkal inkább a különböző géncsaládokban történt független duplikációs események termékei.

Nagyszámú (1739) génduplikációs esemény analízise (melyekre a humán genom 749 különböző géncsaládjának elemzésével következtettek) újabb jó lehetőséget adott a genomkettőződési hipotézisek vizsgálatára. A paralógok közötti divergencia eloszlását vizsgálták, ami bizonyítékkal szolgált (1) a „big bang” hipotézis mellett, mivel nagyobb csúcsot mutatott az eloszlás kb. 500 millió évvel ezelőtt és (2) a „continous mode” hipotézis mellett (a divergencia idejének folyamatos eloszlása tapasztalható, közel az emlősök radiációjának idejéhez). Az emlősök genomjának globális szerkezetét tehát nagy-, és kis skálán zajló duplikációk egyaránt formálhatták.

Jelentős evolúciós esemény volt az is, hogy a modern csontos halak a genomszekvenciák analízise alapján két nagyobb genomméretű duplikáción estek át, ami mellett Hox-komplexeik nagy száma (általában 7) is szól.

Vizsgálható tehát, hogy a taxonómiai csoportok génduplikációkkal alakulnak-e ki?

A GENOMSZEKVENCIÁK SEGÍTENEK ELDÖNTENI

Bizonyos baktériumok - akár parazitaként, akár intracelluláris szimbiontaként - más faj sejtjeiben élnek. A tanulmányozott fajok közös sajátsága a komoly mérvű génvesztés és a genomredukció.

A Buchnera szimbiózisban él a levéltetvekkel, azok sejtjein belül, endoparazitaként. A Buchnera rendszertanilag enterobaktérium, akárcsak az Escherichia coli. Az enterobaktériumok közös ősének kicsit kevesebb, mint 3 000 génje lehetett (az E.colinak 4 300 génje van). A Buchnerának mindössze 590 génje van: őse génjeinek kb. 80%-át elveszíthette az intracelluláris parazita életmód következtében. A génvesztés delécióval történt, majd a deléció szelekcióval vagy genetikai sodródással terjedt el. A védelmet és a táplálék jelentős részét, amire a baktériumnak szüksége van, Buchnera esetében a gazdasejt biztosítja; az ezzel kapcsolatos. gének nem szükségesek a parazita számára, sőt elvesztésük előnyös lehet, mivel a kevesebb DNS-tartalom gyorsabb szaporodást jelent, a természetes szelekció ezért előnyben részesítheti a kisebb genommal rendelkező baktériumokat. A Shigellák tulajdonképpen redukált genomú E.colik, többször, függetlenül kialakultak és konvergens evolúción estek át!

DNS-szakaszok bizonyos rátával minden fajnál vesznek el – pl. nemkódoló szakaszok időről időre esik ki – talán mert másolása komoly teher.A nemkódoló DNS elvesztésének ütemének különbségei vezetnek oda, hogy bizonyos fajoknak nemvárt mértékben kisebb genomja: a Laupala tücskök genomja 10-szerese Drosophila genomnak, míg a közeli rokon házi légyé nyolcszorosa. Becslések szerint a DNS deléciók evolúciós rátája 40x gyorsabb Drosophilában. A nem kódoló DNS Drosophilában nagyobb valószínűséggel tűnik el: a szelekció jobban hat a többlet DNS-t hordozó legyek ellen, mint a tücskök ellen. Az okok ma sem világosak.

A genomok mérete az evolúció során általában duplikációkkal nő (teljes genom vagy a genom egy része duplikálódhat).

Két faj kombinálhatja genomját eggyé, vagy majdnem teljesen eggyé.Valami hasonló történhetett az eukarióták eredeténél, egy különlegesen intim szimbiózis során, amit találóbb lenne fúziónak nevezni. Az emberi genom története során csak egy ilyen esemény történhetett: 2-2500 millió éve két baktérium (minden bizonnyal egy arche- és egy eubaktérium) szimbiotikus viszonyba került, aminek eredménye, hogy a két sejt fuzionált és a bekebelezett idővel az eukarióta sejt a mitokondriumává fejlődött. A két baktérium génszáma nem ismert, de a modern baktériumok általában 1 - 6 000 génszámmal rendelkeznek (néha kevesebbel, ld. Buchnera), de az átlagos génszámot vehetjük 2500-nak. Az új sejt tehát 2x2500 gént tartalmazhatott.

Az egyik genom ezek után kiterjedt, és kialakult a nukleáris genom, míg a másik összehúzódott, és kialakult a mitokondriális genom. Minden modern állat mitokondriuma kb. azonos méretű, általában 13 fehérje- és 24 RNS- kódoló génje van. A növények és gombák mitokondriumai nem esnek ennyire közel egymáshoz méretben, de legfeljebb 100-200 gént tartalmazhatnak. A veszteséghez vezető folyamatok hasonlóak lehettek, mint más intracelluláris szimbionta baktériumoknál, a szimbiózis során a túléléshez szükségtelenné vált gének egyszerűen elveszhettek, de néhány mitokondriális gén átkerülhetett a sejtmagba. Az ilyen géntranszfer valószínűleg létezik állatoknál is, de mitokondriális genomjuk viszonylag konstans, nehéz tanulmányozni.

Növényeknél a mitokondriális genom és a sejtmag között gyakoribb a transzfer, így könnyebb tanulmányozni. Az rps 14 (ribosomalprotein S 14) gén sok növénynél a mitokondriumban van. Rizsben a mitokondriális gén diszfunkcionális ( pszeudogén), míg az rps 14 gén rizsnél nukleáris, ennek helyzete is speciális, mivel egy másik egykori mitokondriális gén, az sdhb (szukcinát dehidrogenáz) intronjában helyezkedik el. Az sdhb gén terméke a mitokondriumban funkcionális. Az ilyen, a mitokondriumból áthelyeződött, de a mitokondriumban működő géntermékkel rendelkező géneknél a fehérjének a mitokondriumba irányító szignálszekvenciára van szüksége. Az rps14 gén azzal, hogy beékelődött az sdhb génbe, szépen oldotta meg a problémát: a szukcinát dehidrogenáz fehérje és az rps14 géntermék alternatív splicing révén használják a mitokondriumba bejuttató szignálszekvenciát („targeting szignál”).

Az előbbiek szépen mutatták meg, hogyan lehetséges a mitokondriális gének transzferje a nukleuszba. A szignálszekvencia problémájának megoldása az egyik fontos feltétele a sikeres transzfernek. A mitokondriális gének átvitele biztosan hozzájárult a nukleáris genom expanziójához és a mitokondriális genom redukciójához.

A genomok evolúciójában biztosan szerepe van a horizontális vagy más, talán gyakrabban használt nevén laterális géntranszfernek (LGT) is. Az LGT esetén egy gén egyik faj genomjából egy másik faj genomjába másolódik át. Ritka esemény, és a genomszekvenálási projektek megmutatták, hogy evolúciós léptékben egyáltalán nem kalkulálható, mennyire gyakori a különböző vonalakban. A leggyakoribb minden bizonnyal a baktériumok körében, de előfordul az Archeák és Eubacteriák, sőt a baktériumok és az eukarióták között is. Az emberben a – nagy valószínűséggel – bakteriális eredetű gének számát 100 körülire becsülik.

A genomszekvenciák felhasználhatók a kromoszómák evolúciójának kutatására is. A kromoszómaszám és kromoszómaszerkezeti változások evolúciós szerepe régóta vizsgált terület. A genomszekvenciák ismerete elősegíti annak tanulmányozását, hogy hogyan helyeződhetnek át a gének más kromoszomális lokalizációkba, és egészen finom felbontásban lehet tanulmányozni, hogy hogyan változott a kromoszómák struktúrája az idők folyamán. Mint oly sokszor, az ilyen kutatásokban is a szex-kromoszómák a főszereplők.

Minden emlősnek X/Y kromoszomális szexdeterminációja van. Legelterjedtebb az a nézet, hogy az emlősök őseinél, a Synapsidákban (közismertebb, de kissé elavult nevükön emlősszerű hüllőknél) kezdetben valószínűleg nem volt meg ez a rendszer. Az emlősök X/Y rendszere 300 millió éve, vagy még régebben alakulhatott ki egy Synapsidában, akkor, amikor egy “hímdetermináló” gén megjelent az egyik kromoszómán. Ez a kromoszóma fejlődött aztán a modern Y-kromoszómává.

Az X-, és Y- kromoszómák különlegesek, amennyiben nem rekombinálódnak, leszámítva a végükhöz közeli, kis régiókat. A kromoszómák döntő részén nincsen géncsere, így az X- és Y- kromoszóma génjei elkülönülve fejlődnek, eltérően az autoszómák génjeitől. Ha a szex-kromoszómák kivételével bármelyik kromoszómán kialakul egy hasznos allél, jó esélye van arra, hogy idővel elterjed, sőt, a természetes szelekció 100%-ra emelheti a gyakoriságát, ekkor minden egyes egyed minden kromoszómáján az adott allél lesz jelen. Ha egy előnyös allél az X- (vagy az Y-) kromoszómán jelenik meg, a természetes szelekció csakis addig emelheti a frekvenciáját, amíg minden X-(vagy Y-) kromoszómán ilyen allél lesz.

Egy korai szakaszban, amikor a mára X- és Y kromoszómapárrá fejlődő kromoszómák egy normál párt alkottak, a gének (átlagosan) nem különböztek egy egyed ezen két kromoszómája között. Miután a géncsere leállt a kromoszómák között, az X és Y génjei divergáltak, a divergencia mértéke pedig attól függött, mennyi ideje nem cserélődnek a gének.

Lahn és Page (1999) az X- és Y-kromoszóma génjei közötti genetikai különbséget használta arra, hogy a kromoszomális evolúciót rekonstruálja. 19 olyan gént találtak, ami megvolt mindkét kromoszómán, és megnézték a köztük lévő genetikai eltérést. A 19 gén 4 diszkrét kategóriába esett, sőt, a különböző kategóriák génjei egymás mellett, folyamatos sávokban helyezkedtek el.

A kutatók adataikat úgy interperetálták, hogy a géncsere négy diszkrét stádiumban állt le. A legjobban különböző génpárok abban a kromoszómarégióban vannak, ahol a géncsere először állt le. A molekuláris óra alapján ezen gének cseréje 300-350 millió éve állhatott le, körülbelül akkor, amikor az emlős szex-kromoszóma rendszer létrejöhetett. A géncsere aztán egymás után állt le a négy kromoszómaszakaszon, utoljára 30-50 millió éve.

Milyen események okozhatták a géncsere leállását? Lahn és Page szerint négy kromoszómainverzió történhetett. Az inverziók elnyomják a rekombinációt az invertált régióban: megjósolható tehát, hogy az Y-kromoszóma génjei ugyanúgy négy sávba rendeződnek, de a sávokban a gének sorrendje minden egyes sávban fordított. Ez a feltétel nem teljesül, ami talán annak köszönhető, hogy a gének elmozdultak az inverziós események óta, esetleg más mechanizmusok működhetnek az inverziók helyett.

A génkicserélődés az X- és Y-kromoszóma között magyarázatot adhat egy másik jelenségre is, az Y-kromoszóma zsugorodására.Valószínű, hogy a rekombináció magában előnyös, és az Y-kromoszóma teljesen nélkülözi a szex előnyeit, genetikai információja lepusztulóban van. Az X-kromoszóma nem pusztul: nőstény emlősökben az X-kromoszómák rekombinálódnak.

A transzpozábilis elemek génjei nem járulnak hozzá a „gazda” élőlény fejlődéséhez, vagy funkciójához; olyan fehérjéket kódolnak, amelyek a retroelem megkettőződéséhez és áthelyeződéséhez szükségesek. A klasszikus nézet szerint szép példái az önző genetikai elemeknek, vagy az „önző géneknek”. Újabban valószínűsítik, hogy génszabályozó szakaszok kialakulásához szolgáltathatnak „alapanyagot”.

Az új helyre áthelyeződött retroelemekben pontmutációk jelenhetnek meg, akárcsak a gazdagenom génjeiben. A mutációt szenvedett elemek aztán (1) további utódelemeket hozhatnak létre, vagy gyakrabban (2) a mutációk következtében degenerálódhatnak, és inaktív, áthelyeződésre képtelen elemekké válhatnak. A transzpozábilis elemek mutációi felhasználhatók a TE –példányok rokonsági viszonyainak megállapítására, így a transzpozábilis elemek egyes családjainak kora becsülhető. Az eljáráshoz a pontmutációk abszolút rátájának ismeretére van szükség, amihez rendszerint a gazdagenom becsült rátái adnak alapot. Az Alu-elemek különösen fontosak az emberszabásúak szempontjából: ezeknek a SINE (short interspersed nuclear elements) csoportba tartozó TE-knek a jelenléte a Homo, Pan, Gorilla, Pongo, Hylobates csoportokra korlátozódik. Miután a többi óvilági fajban nincsenek meg, az emberszabásúaknak a többi óvilági főemlőstől való elválása után jelenhetett meg, feltehetően 25 millió évvel ezelőtt. Az emberi genomban több, mint 500 000 Alu-kópia van, ami a teljes humán genom 10 százaléka! (A LINE csoportbeli LINE1 genomunk 17 százalékát teszi ki!)

A Humán Genom Konzorcium minden azonosított, transzpozon-eredetű szekvenciát bevont egy analízisbe, amely két alapvető mintázatot mutatott ki:

(1) A különböző elemek az emberi faj történetének különböző időszakaiban voltak aktívak. Ha az egyes transzpozonoknál figyelembe vesszük, hogy milyen arányban vannak jelen különböző korú képviselőik, különböző „csúcsokat” kapunk. A SINE (Alu) csúcs 25-50 millió év közé esik, a LINE (LINE1) és LTR 75-100 millió év közé esik.

(2) Minden TE „nyugodtnak” tűnik az elmúlt 25 millió évben. 25 millió évvel ezelőttig viszonylag azonos ütemben adódott a transzpozon-eredetű DNS a genomunkhoz, míg a korábbi mennyiség hasonló időintervallumra számított legfeljebb hatoda adódott hozzá az elmúlt 25 millió évben.

A fenti analízis további finomítása indokolt, de egy további analízis valószínűsíti, hogy az eredmények valósak: Hasonló elemzést végeztek egér genomi szekvenciákon, és semmilyen hasonló mintázatot nem tapasztaltak: sem aktivitási csúcsot 50-75 millió évvel ezelőtt, sem „csendet” az elmúlt 25 millió évben.