Gibt es Selektion gegen lange Proteine ​​und lange Gene?

Hintergrundgedanke

Titin und TTN

Titin ist mit 33423 Aminosäuren das größte Protein im menschlichen Genom. Titin wird durch das Gen TTN kodiert, das mindestens sein muss 3 ⋅ 33423 ≈ 100 k b lang. Ein Blick auf den NCBI-Eintrag für das Gen TTN zeigt, dass TTN tatsächlich etwa 240 kb lang ist.

Transkriptionsrate

Die durchschnittliche Transkriptionsrate ( Ref. ) liegt bei etwa 1,5 kb pro Minute. Es dauert daher ca 240 k 1.5 k ∗ 60 2,5 Stunden, um TTN in mRNA zu transkribieren. Diese mRNA muss dann gespleißt werden, bevor sie für die Translation verfügbar ist. Folglich glaube ich nicht, dass es möglich ist, dass die Übersetzung gleichzeitig mit der Transkription erfolgt, aber möglicherweise falsch ist.

Übersetzungsrate

Die Übersetzungsrate beträgt etwa 8,4 Aminosäuren pro Sekunde ( Ref. ). Es dauert daher ca 33423 8.4 ⋅ 3600 ≈ 1 Stunde, um das Protein zu übersetzen. Sicher, mehrere Ribosomen können die mRNA gleichzeitig translatieren, aber es dauert immer noch, dass es 1 Stunde dauert, um mindestens ein Protein zu synthetisieren.

Transkription + Übersetzungsrate

Unter der Annahme, dass die Translation nicht gleichzeitig mit der Transkription erfolgt, beträgt die Gesamtzeit zur Bildung des ersten Proteins von Titin etwa 3,5 Stunden.

Halbwertszeit

Die Halbwertszeit eines typischen menschlichen Proteins beträgt 6,9 Stunden ( Ref. ). Intuitiv würde ich eine negative Korrelation zwischen mRNA-Größe und mRNA-Halbwertszeit erwarten.

Halbwertszeit und Transkriptions- + Übersetzungsrate

Da die Zeit zur Produktion des ersten Proteins etwa die Hälfte der Halbwertszeit beträgt, bedeutet dies, dass aus einem Viertel jeder einzelnen produzierten mRNA niemals auch nur ein einziges Protein entstehen würde, da es vor oder nach Beginn der Translation abgebaut würde.

Es klingt nach einem wichtigen Kostenfaktor und wäre überrascht, wenn ein Gen oder ein Protein länger sein könnte.

Frage

Gibt es Hinweise auf Selektion gegen lange Proteine ​​und lange Gene?

Gibt es Proteine, die bei anderen Arten viel länger sind als Titin?

Übertreibe ich die Kosten, die es darstellt, indem ich entweder nicht berücksichtige, dass eine durchschnittliche Rate (z. nie übersetzt werden?

Sie vergessen, dass es viele Ribosomen auf einer einzigen mRNA geben würde. Es könnte auch mehrere RNA-Polymerasen geben, die das Gen transkribieren.
Sicher. Es bleibt immer noch, dass es 3,5 Stunden dauert, um das allererste Protein zu synthetisieren, und ich würde erwarten, dass es in 25% der Fälle versagt.
Nehmen wir an, es dauert 3,5 Stunden, um ein einzelnes Protein ab dem Zeitpunkt herzustellen, an dem die Transkription initiiert wird. Titin ist jedoch ein Strukturprotein und kein Protein, das schnell auf Reize reagieren muss. Sobald das Protein einen stabilen Zustand erreicht hat, wird es einfach kontinuierlich hergestellt. Stellen Sie sich ein Transkriptionsereignis vor, das zu einer Zeit begann, tdas in der Proteinproduktion bei kulminiert t+3.5h. Nehmen wir an, es gibt ein weiteres Transkriptionsereignis, das bei begonnen hat t+0.1hund am Ende Protein bei produziert t+3.6h. Sie erhalten bei jedem ein Proteinmolekül 0.1h. Verstehst du meinen Punkt?
In ähnlicher Weise gibt es mehrere Ribosomen auf der mRNA. Wenn es dauert 1h, bis ein einzelnes Ribosom den ORF durchquert, und sagen wir, es gibt mehrere Ribosomen auf der mRNA, die entfernt sind 0.1h(wandeln Sie das in #codons um), erhalten Sie am Ende alle h ein Proteinmolekül von einem mRNA-Molekül 0.1.
Ich glaube, ich verstehe diesen Punkt. Ich verstehe, dass es machbar ist, Proteine ​​mit einer konstanten gewünschten Rate zu produzieren. Es bleibt immer noch, dass viel mRNA ohne Nutzen abgebaut wird und dass viel mRNA während der Translation abgebaut wird, wodurch die Hälfte synthetisiertes Protein zurückbleibt, das ebenfalls keinen Nutzen hat. All dies stellt Kosten dar, die für ein langes Gen und ein langes Protein viel wichtiger sind als für ein kurzes Gen und ein kurzes Protein. Danke für Ihre Hilfe!
Die mRNAs können recht stabil sein.

Antworten (2)

Gibt es Hinweise auf Selektion gegen lange Proteine ​​und lange Gene?

Mir sind keine derartigen Beweise bekannt und flüchtiges Googeln hat keine Studien ergeben, die eine Korrelation zwischen Genauswahl und Gengröße untersucht haben. Je größer jedoch ein Gen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Mutation innerhalb dieses Gens, daher gehe ich davon aus, dass es eine gewisse Grenze für die Größe gibt, die Gene erreichen und durch die Evolution stabil sein können.

Gibt es Proteine, die bei anderen Arten viel länger sind als Titin?

Bis heute ist Titin das größte bekannte Protein

Übertreibe ich die Kosten, die es darstellt, indem ich entweder nicht berücksichtige, dass eine durchschnittliche Rate (z. nie übersetzt werden?

Mir gefällt wirklich, wie Sie die Zeitkosten für die Herstellung von Titin geschätzt haben. Wie Sie jedoch bereits vermuten, glaube ich, dass Sie mehrere Fehler in Ihren Annahmen haben.

Zunächst einmal ist die Stabilität von mRNA und Proteinen sehr unterschiedlich und hängt stark von deren Sequenzen ab. Die Halbwertszeit von Proteinen kann von Minuten bis zu Jahren variieren . Das Titin-Protein hat eine Halbwertszeit von ~70 h .

In ähnlicher Weise variiert die mRNA-Stabilität von Minuten bis > 12 Stunden . Insbesondere Haushalts- und Strukturgene wurden mit mRNAs mit langen Halbwertszeiten identifiziert.

Sowohl die Protein- als auch die mRNA-Stabilität wird nicht einfach durch zufälligen Zerfall bestimmt, sondern vielmehr durch einen streng regulierten Abbau. Ein Beispiel für Proteine ​​ist die Ubiquitinylierung, ein Prozess, bei dem bestimmte Aminosäuresequenzen erkannt werden und eine Ubiquitinylierung des Proteins bewirken, was wiederum den Abbau über das Proteasom auslöst. Für mRNA ist die Sekundärstruktur entscheidend, da bestimmte Loop-Strukturen von RNAsen erkannt werden können. Daher helfen durchschnittliche Protein/mRNA-Lebensdauern nicht dabei, den tatsächlichen Turnover eines spezifischen Proteins abzuschätzen.

+1 Danke für deine Antwort, das war sehr hilfreich. Neben der Bestätigung dessen, was ich vermutete, könnte mit meinen schnellen Schätzungen schief gehen, wurde mir insbesondere klar, dass ein zufälliger negativer exponentieller Zerfall kein gutes Modell für den mRNA-Zerfall ist. Ich weiß es zu schätzen, dass Sie auf die Mutation verweisen (die von e − u L , wo u ist die Mutationsrate pro Basenpaar und L die Größe eines Gens in einer unendlichen Population), da dies wahrscheinlich ein viel wichtigerer Faktor ist als der, den ich in meinen schnellen Schätzungen hervorgebracht habe. Vielen Dank
Ich würde erwarten, dass Gene mit der größeren Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Mutation unter dem stärkeren evolutionären Druck stehen würden. Das Papier genome.cshlp.org/content/24/9/1497.full besagt, dass "längere Gene weniger wahrscheinlich Duplikate produzieren und eher alternatives Spleißen aufweisen".

Bezogen auf Ihre Fragen: Eine Sache, die bekannt ist, ist, dass ältere Gene, dh Gene, die früher in der Evolution auftauchen, länger sind als neue Gene. Außerdem entwickeln sich neue Gene schneller als alte. Neue Gene sind also normalerweise kurz und werden mit der Zeit größer.

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