Wie könnten sich Gencluster wie das lac-Operon entwickeln?

Operone enthalten oft, aber nicht immer, Cluster von Genen (unter der Kontrolle einer Operatorregion), die an demselben Stoffwechselweg beteiligt sind. Es gibt mehrere Theorien darüber, wie diese Gengruppen entstanden sind, aber die derzeitige Meinung scheint auf der Regulation der fraglichen Gene zu beruhen 1 . Um die koordinierte Genregulation zu erleichtern, gab es möglicherweise eine starke Selektion für die physikalische Clusterbildung von Genen, die an einem bestimmten Prozess beteiligt sind. Durch die physische Gruppierung bedeutet dies auch, dass alle Gene innerhalb eines bestimmten Operons wahrscheinlich demselben Chromatin-Remodeling unterliegen und dann unter den entsprechenden Bedingungen leichter ein- und ausgeschaltet werden, dh alle eingeschaltet werden, wenn sie benötigt werden, und ausgeschaltet, wenn sie benötigt werden sind nicht.

Operone mit ähnlich angeordneten Genen wurden in verschiedenen Mikroorganismen gefunden, was zu der Annahme führte, dass das Operon eine alte und evolutionär konservierte Anordnung war [2]. Die folgende Abbildung von Fani et al. 2005 stellt zwei mögliche Wege vor, um den aktuellen Stand der Genomorganisation für heutige Proteobakterien zu erzeugen.

Wenn das Operon eine alte Anordnung ist, würden wir eine hohe Genkonservierung innerhalb der Operons vorhersagen; aber die Genomanalyse verschiedener Mikroorganismen zeigt, dass dies nicht der Fall ist (dh die Genkonservierung ist gering und Operons sind ziemlich instabil). Dementsprechend schlägt ein anderer Autor vor, dass die Operonstruktur aufgrund des Mangels an Konservierung ziemlich plastisch ist und sich während der Evolution leicht ändern kann [3]. Tatsächlich kommen Fari et al. in ihrer Arbeit zu dem Schluss, dass das Histidin-Biosynthese-Operon ein Konstruktions- oder Rekonstruktionsereignis aus verstreuten Genen und nicht aus der Abstammung einer alten Anordnung war:

Unser Modell legt nahe, dass die his-Genorganisation in den vorhandenen Proteobakterien aus einer Genstreuung im Genom des proteobakteriellen Vorfahren entstanden ist. Das Modell sagt auch voraus, dass alle oder die meisten his-Gene (mit Ausnahme von hisD) monofunktional waren und dass sie eine fortschreitende Clusterbildung und Kompaktierung durchmachten, die zusammen mit Genüberlappungs- und Fusionsereignissen auftrat

Sie fanden, wie Sie angedeutet haben, Beweise für mehrere Genmodifikationen, darunter Elongation, Duplikation und Genfusionen. Bezüglich der Ursachen für die fortschreitende Clusterbildung siehe erneut Referenz 1 .

Offensichtlich werden sich wahrscheinlich verschiedene Operons in verschiedenen Organismen auf unterschiedliche Weise gebildet haben, und ich glaube nicht, dass wir das Argument der „alten Anordnung“ vollständig ausschließen können. Es ist ein ziemlich breites und verwirrendes Thema und es gibt viel Literatur. Ich hoffe, die Beispiele, die ich ausgewählt und aufgelistet habe, sind nützlich!

1 Osbourn, A. und Field, B. Operons. Zelle. Mol. Leben Wissenschaft. (2009) 66:3755–3775

[2] Fani et al. Der Ursprung und die Entwicklung von Operonen: Der stückweise Aufbau des proteobakteriellen Histidin-Operons. J Mol Evol (2005) 60: 378–390

[3] Itohet al. Evolutionäre Instabilität von Operonstrukturen, die durch Sequenzvergleiche vollständiger mikrobieller Genome offenbart wurden. Mol Biol Evol (1999) 16(3):332–346