Før man startet det humane genprosjektet med sekvensering av det menneskelige genom visste man hvor flere gener lå på kromosomene hos både dyr og planter, genkart basert på blant annet rekombinasjon. Plasseringen av gener ble funnet bl.a. ved fluorescensmerking med hybridisering med en samling av alle kromosomene( FISH -fluorescens in situ hybridisering). Slik kunne man lage cytogenetisk kart over kromosomene. Lenkekart hadde kjente relative avstander mellom genene basert på rekombinasjonsfrekvenser. Deretter kunne man lage fysiske genkart med fysisk avstand mellom markørgener. I arbeidet med sekvensering av genomet ble DNA kuttet med restriksjonsenzymer i kloningsseter og deretter klonet inn i kunstig gjærkromosom (YAC - "yeast artificial chromosome") eller kunstig bakteriekromosom (BAC - "bacterial artificial chromosome"). Lange genfragmenter samles og klones deretter inn i plasmider for deretter å bli sekvensert med dideoksykjedetermineringsmetode. Fart i sekvensering av det humane genom skjedde da J. Craig Venter og kollegaer i Celera Genomics startet med haglskuddskevensering (shot-gun sekvensering). DNA fra mange kopier av et kromosom ble kuttet i biter, klonet, sekvensert og deretter ble bitene skjøtt sammen ved hjelp av bioinformatikk.
Det haploide genomet hos Homo sapiens innholder 3200 millioner basepar, sammenlignet med sebrafisk (Danio rerio) 1700 millioner basepar, mus (Mus musculus) 2600 millioner basepar og vårskrinneblom (Arabidopsis thaliana) 118 millioner basepar. Bakterier har genomer fra 1-6 millioner basepar tilsvarende ca. 1500-7500 gener. Eukaryoter har fra ca. 5000 gener fra de enkleste sopp opptil 40.000 gener. Ved alternativ spleising av RNA-transkripter er det mulige å lage flere proteiner fra et gen Det er nå mulig å sammenligne gensekvenser fra mer enn 500 bakteriegenomer, 45 arkebakteriegenomer samt virus, med genomer fra eukaryoter som bakegjær (Saccharomyces cerevisiae), bananflue (Drosophila melanogaster), rhesusmakaki (Macaca mulatta), sjimpanse (Pan trogodytes) vår nærmeste slektning på evolusjonstreet samt en rekke andre organismer. Menneske og sjimpanse har felles stamform og en atskillelse skjedde for ca. 6 millioner år siden. Mus og menneske har også felles stamform og en atskillelse skjedde for ca. 65 millioner år siden. Gensekvensene er samlet i databaser kalt genbanker. I USA har National library of medicine samt National institute of Health (NIH) laget en slik stor database kalt National Center for Biotechnology Information (NCBI) (http:www.ncbi.nlm.nih.gov). Via internet kan man med programmet BLAST sammenligne sekvenser med det som ligger i databasen. Det finnes tilsvarende europeiske (European Molecular Biology Laboratory) og japanske genbanker. Noen gensekvenser er sterkt konserverte og forandrer seg lite under evolusjonen.
Det arbeides med å finne de sekvensene som koder for proteiner, hvor man bla. ser etter sekvenser i kjente mRNA (EST expressed seqence tags) fra cDNA sekvensering. I Cancer genome atlas samles genvarianter som er relatert til forskjellige typer kreft som lungekreft, eggstokk-kreft og gliablastoma i hjernen.
Kromosomene inneholder gener, reguleringssekvenser og mange korte repeterte sekvenser. Et gen er en nukleinsyresekvens som koder for RNA eller et protein. Gener hos eukaryotene består av kodende områder, eksoner ("exons") og ikke-kodende områder, introner ("introns"). Både eksoner og introner blir transkribert til RNA, men intronene blir fjernet før translasjonen til protein. Intronene kan imidlertid påvirke genuttrykk. Introner inneholder repeterte sekvenser og pseudogener fra tidligere gener. Mengde DNA per cellekjerne varierer mye mellom de forskjellige artene. Inversjoner, translokasjoner, delesjoner og transposjoner gir endringer i basesekvensen i DNA, ikke bare mellom arter, men også innen en art. Translokasjoner (flyttinger)er rearrangeringer i kromosomer og skjer ved å flytte en nukleotidsekvens fra et kromosom til et annet. Translokasjonene gir størst effekt hos heterozygoter hvor allelene atskilles. Inversjon (snuinger)skjer ved at en nukleotidsekvens snus 180o og blir derved i motsatt retning av det normale. Delesjoner (utkuttinger) er tap av deler av et kromosom, enten enkeltbaser eller lengre basesekvenser i kromosomet. Det skjer mutasjoner som resultat av feil i replikasjonen og mutasjonsraten øker etter påvirkning av stråling og kjemiske mutagener. Det er korte repeterte sekvenser i stort antall i et område nær centromeren og kan ha en funksjon ved homolog parring av kromosomer.
Transposoner ("transposons", transposerbare genetiske elementer, kontrollelementer) oppdaget av Barbara Mc Clintock i mais, er korte basesekvenser som kan forflytte seg i kromosomet, transposisjonere, ved hjelp av enzymet transposase, men antallet øker ved transponeringen. Dette skjer enten ved utkutting av transposonet og innsetting et nytt sted, eller det kan lages en kopi av transposonet og kopien settes inn på et annet sted i kromosomet eller i et annet kromosom. Altså: klipp og lim eller kopier og flytt. Transposonene har korte inverterte repeterte sekvenser i enden og lager en hårnålsløkke som enzymet transposase kjenner igjen. Transposoner som setter seg inn i ikke-kodende sekvenser påvirker ikke fenotypen, men blir transposonet satt inn i kodende sekvenser gir dette endringer i genuttrykk (genotype) og fenotype. Størrelsen på transposoner varierer fra ca. 100 - 10.000 baser. Velkjente transposoner er Ac/Ds og Mu fra mais. Transposoner finnes både hos prokaryoter, kalt insersjonssekvenser, og hos eukaryoter. Hos bakterier kan transposoner også bringe med seg gener for antibiotikaresistens. Transposoner er en viktig faktor som skaper stor variasjon i genomet ved å flytte på blokker med genetisk informasjon som deretter den naturlige seleksjonen virker på. Således er transposoner viktigere enn mutasjoner. Mutasjon gir genetisk forandring, men oftest er virkningen nøytral eller skadelig, og større betydning har tilbakemutasjoner og reparasjon av skader i DNA-sekvensen. I motsetning til rekombinasjon som er et kraftig verktøy for forandring i DNA er mutasjoner enkeltbaseendringer. To tråder med likt DNA som ligger ved siden av hverandre kan utveksle genetisk informasjon ved overkrysning og homolog rekombinasjon. Transposoner gir homologe områder for rekombinasjon, og overkrysning kan flytte gener til en ny posisjon. Gener for syntese av alfa-globin og beta-globin finnes lokalisert på forskjellige kromosomer. Retrotransposoner ("retrotransposons") forflytter seg i kromosomene via et enkelttrådet RNA-intermediat. Ved hjelp av revers transkriptase lages en dobblettrådet DNA-kopi som kan flyttes til et annet sted i genomet, innen samme kromosom eller til et annet kromosom. Antallet kopier øker ved hver transposisjon, og ligner således på retrovirus. Retrotransposoner har lange terminale repitisjoner i enden. Store deler av genomet hos eukaryoter består av rester av retrotransposoner.
Man regner med at over 40% av genomet i Homo sapiens består av transposerbare elementer. I primater og Homo sapiens er den del av de transposonrelaterte sekvensene like og kalles Alu-elementer.
Alu-elementene utgjør ca. 10% av genomet, og har lengde ca. 300 basepar. Ca. 17% genomet består av retrotransposoner kalt LINE-1 , som er ca. 6500 basepar lange, men har lavere transposisjonsrate. Repetert DNA som ikke skyldes transposoner utgjør ca. 15% av DNA hos Homo sapiens. Dessuten finnes det enkle DNA-sekvenser med opptil 500 kopier, hvor antall repetiasjoner varierer fra person til person. Når det er få baser kalles de korte tandemrepeterte DNA med 2-5 nukleotider per enhet utgjør ca. 3% av genomet. De enkle DNA-sekvensene ble tidligere kalt satelitt-DNA fordi når genomisk DNA ble kuttet i biter forekommer de etter gradient-sentrifugering i et eget bånd (satelitt). De enkle DNA-sekvensene er mye lokalisert til telomerer og centromerer og har således strukturbetydning. Telomerer befinner seg i enden av kromosomene. DNA blir kortere for hver replikasjonsrunde. Telomer-DNA binder proteiner som beskytter enden mot degradering og hefting til andre kromosomer.
Mendel studerte bl.a. genutgavene (allelene) av Mendels erter som ga rynkete erter, og rynkete erter skyldes en transposonlignende innsetning i stivelse greiningsenzym. Virus kan sette sitt genom inn i vertens DNA, og der kan det ligge latent. Under stressbetingelser aktiveres både transposoner og virus til ny aktivitet.
Mennesker kan produsere opptil en million forskjellige antistoffer. Skulle det være nødvendig med ett gen for hvert antistoff var det nødvendig med en million gener bare for å lage antistoffer, men slik er det ikke. I stedet foretas det skyfling av omstokking av genene V, D og J som gir alle kombinasjonene av antistoffer.
Det er variasjon i antallet kopier av gener, noen er solitære, mens andre er like og samlet i genfamilier. Gener som koder for ribosomalt RNA (rRNA) kan raskt lage store mengder rRNA nødvendig for proteinsyntese. Transkripsjonsenheten for rRNA (18S- 5.85S -28S) er på begge sider omgitt av ikke-transkriberte spacere (ITS). Sekvensering av disse ITS-sekvensene kan benyttes til artsidentifisering og utvikling av evolusjonære kart.
Genduplisering gir genkopier av deler eller hele genomet, og kopiene kan således utgjøre store deler av et genom. Kromosom 16 hos Homo sapiens inneholder DNA-blokker som finnes igjen i kromosom 7,8, 16 og 17 i mus, slik at kromosomreorganisering kan bidra i dannelsen av nye arter. Homo sapiens har 23 kromosomer, mens sjimpanse har 24 kromosomer, forskjellen består i at sjimpanse har to kromosomer 2 (A og B), mens disse danner ett kromosom hos oss. Genduplisering er en svært viktig faktor for evolusjonen. Ulik overkrysning i profase 1 i meiosen kan i delesjon i et kromosom med duplisering i et annet. Genene forekommer også i genfamilier.
Hemoglobin som brukes til å frakte oksygen i blodet er satt sammen av 2 subenheter med proteinet alfa-globin (α-globin) og to subenheter med beta-globin (β-globin), altså 2α2β. Alfa-globin kodes av en genfamilie på kromosom 16, mens beta-globin kodes av en genfamilie på kromosom 11 med innskutte pseudogener. Pseudogener inneholder mutasjoner som har gjort dem uvirksomme. Det betyr at fra en stamform av globin skjedde det for ca. 500 millioner år siden utvikling av to monomere α og β. Deretter har det skjedd genduplisering som har ført fram til blodproteinet hemoglobin. Imidlertid har det fra stamformen av globin vært en utviklingslinje for gener som lager leghemoglobin som deltar i biologisk nitrogenfiksering i symbiosen Rhizobium-erteplanter, hvor leghemoglobin sørger for lave tilførsel av oksygen til bakteroidene slik at nitrogenasen ikke blir ødelagt av oksygen. Fra stamformen av globin går det også en utviklingslinje til gener som lager det oksygenbindende muskelproteinet myoglobin som er viktig hos dykkende marine pattedyr. Evolusjon av sigdcelleanemi i malariaområder i Sentral-Afrika viser hvordan mutasjon i globin-gener gir et allel som kan gi en form av hemoglobin som gjør de røde blodcellene sigdformet og mindre attraktive for malariaparasitten Plasmodium falciparum. Malariaparasitten virker som seleksjonspress som gir økt frekvens av sigdcelle-allelet.
Lysozym er et enzym som hydrolyserer cellevegger og brukes til beskyttelse mot bakterier. Alfa-laktalbumin er et ikke-enzym som deltar i melkeproduksjon. Begge disse proteinene finnes i pattedyr og de har omtrent samme aminosyresekvens og tredimensjonal form. Fugl har bare lysozym, noe som viser at under evolusjonen har det ved genduplisering blitt dannet et nytt protein som har fått en ny funksjon i forhold til den eldre stamformen.
Kollagen er et strukturprotein med repetert aminosyresekvens. Vevsplasminogen-aktivator som er et protein som kontrollerer blodlevring har sin opprinnelse fra tre andre gener (epidermal vekstfaktor, fibronektin og plasminogen) og er et eksempel på hvordan eksonduplisering og eksonskyfling kan gi nye gener.
Homo sapiens har igjen 1000 forskjellige gener for luktreseptorer, men har mistet 60% av luktreseptorene ved mutasjoner.
Ortologe gener (gr. orthos - rett) er homologe gener i forskjellige organismer som resultat av artsdannelse e.g. gener for cytokrom c. Ortologe gener kan bare divergere etter artsdannelse.
Paraloge gener (gr. para - ved siden av) er homologe gener fra genduplisering, og flere kopier i samme genom for eksempel luktgener.
Gensuperfamilier har utviklet seg fra et enkelt gen i tidligere opphav og koder nå for mange forskjellige proteiner, f.eks. immunoglobuliner i immunsystemet. Gener med samme funksjon kan ofte finnes nær hverandre på kromosomene. Et stort kromosomtall gir større muligheter for å skape variasjon i genomet under reduksjonsdelingen.
Aneuploidi er endring i kromosomtall hvor ett eller flere av kromosomene i et normalt kromosomett mangler eller er i overskudd. Hos planter er polyploidi meget vanlig, og er det flere enn 18 kromosomer i cellekjernen betraktes det vanligvis som polyploidi. Polyploidene har stor grad av heterozygositet. Omtrent 80% av angiospermene er polyploide og 96% av pteridofyttene, men polyploidi er relativt sjeldent hos angiospermene. Allopolyploidi oppstår når to forskjellige arter hybridiserer og inneholder derfor ulike sett med kromosomer som vanligvis ikke kan danne par under meiosen og er derfor vanligvis sterile. Hvis det skjer påfølgende kromosomdobling kan hybriden bli fertil. Autopolyploide som her flere enn to sett med homologe kromosomer har flere enn to alleler for hvert locus. De mest vanlige polyploidene hos planter har balanserte partall av genomet: 4x, 6x, 8x osv. Polyploidi er mer vanlig hos flerårige enn ettårige planter. Mange av kulturplantene er polyploider. Hvete (Triticum aestivum) er en hexaploid art (2n=42) med AABBDD, hvor genomet har sin opprinnelse fra tre forskjellige arter: Triticum monococcum (AA), Triticum sp. (BB) og Triticum tauschii (DD) alle med 2n=13. Foredlet banan er triploid og kan bare formeres ved stiklinger. Potet er tetraploid. Størrelsen av cellen og cellekjernen er ofte positivt korrelert med DNA-innholdet.
Gregor Mendel studerte allelvariasjon fra flere uavhengige loci hos erter: lengen av erteplantene, rynkete og glatte erter, gule og grønne erter eller belger, bladposisjon, samt blomsterfarge. Den danske genetikeren Wilhelm Ludvig Johannsen innførte begrepene gen, genotype og fenotype.
Fenotype er morfologiske-, anatomiske-, fysiologiske-, biokjemiske- eller atferdsegenskaper til et individ eller gruppe av individer. Genotypen er den genetiske konstitusjon. Et gen er et locus på kromosomet. Alleler er alternative utgaver av et gen. Johannsen fant at høyde og frøvekt nedarves på mendelsk måte, men at de kvantitative forskjellene skyldes flere gener. Jo flere genloci som bestemmer en arvlig egenskap desto større kontinuerlig variasjon blir det. Pleiotropi vil si at et allel har flere effekter på en fenotypeegenskap.
Kvantitative arvbare loci (QTL, polygener) gir variasjon i kvantitative egenskaper hos individene. QTL-analyse består i seleksjon og hybridisering av foreldrelinjer som atskiller seg i en eller flere kvantitative egenskaper f.eks. form og størrelse på frukten. Andre egenskaper ved kvantitative arvbare loci er frøutvikling, forsvarsrespons, stresstoleranse og blomstringstidspunkt. En organismes egnethet i et miljø skyldes ikke bare ett gen, men interaksjon mellom alle genene i genomet. Isozymer er forskjellige molekylære former av et enzym hvis det blir kodet av mer enn et locus. De kalles allozymer hvis enzymene er laget av forskjellige alleler av et locus. Et individ med mer enn ett allozym er heterozygot. Dupliserte isoenzym-loci ga flere bånd på stivelsesgelen enn enkeltkopigener. En art med mer enn ett allozym ved et locus kalles polymorf. Enkeltbasepolymorfier (SNP, enkeltnukleotidpolymorfier) er variasjon i DNA-sekvens som forekommer bare i en base i en genomsekvens i kodende eller ikke-kodende region. Innen genomikk indentifiseres struktur og funksjon til alle genene i en organisme. Transkriptomet er summen av alle områdene i et genom som blir transkribert: mRNA, ribosomalt RNA, tRNA og regulerings-RNA. Proteomet er alle proteinene i en organisme og omfatter alle umodifiserte og posttranslatert modifisert protein, og studiet av disse kalles proteomikk. Metabolomet omfatter alle primær- og sekundærmetabolitter i en organisme og metabolomikk omfatter studiet av alle metabolitter i celler. Bioinformatikk er nødvendig for å kunne behandle den store mengde med sekvensdata.
Horisontal genoverføring (lateral genoverføring) er overføring av gener fra en art til en annen. I 1944 oppdaget Avery, MacLeod og McCarthy at bakterier kunne ta opp nakent DNA og inkorporere det i sitt eget genom. Plasmider med gener for resistens (toleranse) for antibiotika kan overføres mellom bakteriepopulasjoner, oppdaget i 1959. Transformasjon vil si at DNA utskilt av bakterier til omgivelsene kan tas opp av en annen bakterie, men ikke nødvendigvis samme bakteriestamme. Horisontal genoverføring var så vanlig i starten at man kan snakket om "livets ring" som etter hvert delte seg i tre greiner (bakterier, arkebakterier og eukaryoter). Konjugasjon er bakteriesex mellom krysningstyper. Bakterier kobles sammen og "hannbakterien" overfører stykker med DNA til "hunnbakterien". Den delen som overføres er kuttet av fra bakteriekromosomene i form av plasmider. Transduksjon skjer når virus tar opp stykker med DNA fra bakterier og inkorporerer det i sitt egen genom. Etter at bakterieviruset (bakteriofagen) er oppformert og slipper ut tar den med seg deler av bakteriegenomet. Ved en ny infeksjon kan viruset ta med det stjålne bakterie DNA og sette det inn i en annen bakterie. Bakterien Agrobacterium tumefasciens som gir krongalle overfører T-DNA fra et tumorinduserende plasmid (Ti-plasmid) til plantens kjernegenom.
Migrasjon, seleksjon og genetisk drift
Migrasjon, seleksjon og genetisk drift er faktorer som gir evolusjon.
Migrasjon bestyr at gener flyttes mellom populasjoner. Dyr kan foreta sesongavhengige vandringer fra en lokalitet til en annen lokalitet som respons på mattilgang eller reproduksjonssyklus. Hos planter flyttes gener mellom populasjoner med frø, pollen eller sporer. Gener fra en annen populasjon kan øke variasjonen i mottakerpopulasjonen slik at populasjonen er bedre i stand til å endre seg med endringer i miljøet. Det er mange mekanismer som favoriserer kryssbefruktning. Selvbefruktning gir en mer homozygot art sammenlignet med utkryssere, og prosenten heterozygoeter reduseres med 50% for hver generasjon med selvbefruktning. Dette benyttes i kunstig seleksjon av landbruksvekster hvor man tilstreber rene homozygote linjer. Det er ikke alltid at krysning mellom homozygote linjer gir hybridstyrke (heterose). Sorter av bønner kan krysses med hverandre og gi svakt dvergaktig avkom. Seleksjon skyldes forandringer i populasjonenes genfrekvens forårsaket av forskjellig overlevelse og reproduksjon.
Genetisk drift er forandringer i genfrekvens i små isolerte populasjoner og som skyldes tilfeldigheter forskjellig fra naturlig seleksjon. Ved genetisk drift blir det tap i genetisk variasjon og allelfrekvensen endres via tilfeldigheter
Genflyt gjør at alleler går inn eller ut av populasjonen ved bevegelse av fertile individer eller gameter. Genflyt reduserer genetiske forskjeller mellom populasjoner.
I en populasjon med tilfeldig krysning uten evolusjon vil genotypefrekvensen nå en likevekt, Hardy-Weinberg-likevekt. Hardy-Weinberg-likevekt forutsetter en meget stor populasjon med tilfeldig parring, ingen mutasjoner, ingen seleksjon eller genflyt. Er genotypefrekvensen forskjellig fra Hardy-Winberg-likevekt betyr det at det foregår evolusjon eller at krysningen ikke er tilfeldig. En populasjon av en art kan ha mange alleler for et locus. Frekvensen av genotyper er avhengig av allelfrekvensen i tidligere generasjoner.
Koevolusjon, parasittisme og mutualisme er andre viktige faktorer i evolusjonen. Egget har med seg mesteparten av cytoplasma og organeller under krysningen med en spermcelle med lite cytoplasma. Det betyr av organeller som mitokondrier og plastider som inneholder sirkulært DNA (mitokondrie-DNA, kloroplast-DNA) vil vanligvis nedarves maternalt via moren.
J.S. Taylor & J. Raes: Duplication and divergence: The evolution of new genes and ald ideas. Annu. Rev. Genet. 38 (2004)615-643.
Teksten er hentet fra Evolusjon