鸟类如何丢弃“不必要的”基因可以帮助我们理解进化

 
最新统计表明，人类基因组中有大约21,000个基因，这是生物体中的一组遗传信息。但是我们真的需要我们拥有的每个基因吗?如果我们输了三四个，该怎么办?如果我们损失了3,000或4,000怎么办?我们还能运作吗?人类的基因组具有变异，但是个体之间的总体大小没有显着差异，唐氏综合症等某些遗传疾病除外，这是由多余的21号染色体及其所有基因复制引起的。
基因组中的每个基因都提供了影响我们生活的蛋白质代码，从头发的生长到允许我们消化某些食物，这些蛋白质都会影响我们的生活。人类基因组中发现的大多数基因目前可能是安全的，但是随着时间的流逝，有些生物已经削减了其基因组，使其可以生活在各种栖息地中。
科学家以前认为，有机体基因组中的每个基因对于生存都是必不可少的，因为人与人之间的基因组大小几乎没有差异。但是，使用具有较小的，简化的基因组的动物进行的研究证明了这是不正确的。
简化基因组需要什么?生物体只是随着时间的流逝切割基因并希望获得最佳结果，还是有一系列补偿这些基因丧失的过程?如果研究人员能够理解其中一些小型基因组如何高效地工作，那么我们就可以更好地理解人类基因组的功能。我们Amey Redkar，Alison Gerken和Jessica Velez是一支由不同背景的生物学家组成的团队，均与美国遗传学会相关。我们有兴趣了解多样化的遗传过程如何在多种生物中发挥作用，并努力将这些有关遗传的激动人心的事实传达给广大读者。
通过进化过程进行基因组结构重排
基因组可以以多种方式改变。变化可能很小，仅涉及单个DNA构建块，也可能涉及大规模，例如大量DNA的复制或丢失。甚至有可能失去整个基因途径，即基因的共同作用。随着时间的流逝，DNA的大量损失被称为基因组精简。
每个生物都适应其环境，其中一些通过基因组优化过程实现了这一目标。在此过程中，基因组会随着物种适应其环境而重新排列。基因组精简使生物能够在挑战性环境(例如低营养海洋场所)中壮成长，或适应独特的进化挑战(例如飞行带来的挑战)。
研究人员通过研究特定物种(称为“模型物种”)的简化基因组来探索这些适应性，以发现哪些遗传物质过多，以及生物体生存所需的最佳基因数量。
鸟类和植物进行基因组优化
在蜂鸟中可以看到一个显着的基因组优化例子，其中认为基因组大小适应的主要驱动力是飞行和代谢需求。这些鸟类具有飞翔的能力以及高能量的生活方式，这都在其遗传密码中得到了体现。蜂鸟拥有大约900,000,000个DNA单位，是鸟类中最小，变异最小的基因组。平均而言，编码蛋白质的基因比哺乳动物基因组中的基因短27%至50%。这些适应是通过基因组优化的过程产生的。通过适应性突变而失去了对高海拔蜂鸟的生活没有积极贡献的DNA和基因，它们具有极为活跃的高能量生活方式。
快速移动的鸟类只是经过基因组优化的能量复杂的物种之一。在植物界中，无根的小型无水生水草植物Utricularia gibba使用真空吸尘器将昆虫捕食器捕获在微型陷阱中。该植物通过进化选择基因而适应了掠夺性生活方式，这些基因允许膀胱藻使用特殊的酶分解复杂的分子并在水环境中保持植物的结构完整性。冗余，次要和不必要的基因丢失了。
极度简化：最小的基因组
先前减少基因组大小的例子提出了一个基本问题：基因组的精简程度如何?随着物种的基因组萎缩，科学家可以探索在生物体无法生存之前，一个物种会丢失多少个基因。
在这些研究中使用的一种这样的生物体，即Prochlorococcus marinus，是生活在大海中的单细胞蓝细菌。以1,800,000个单位的DNA而言，水母假单胞菌以其在任何已知的光合生物中具有最小的基因组而闻名。
这些蓝细菌不能再产生生存所必需的许多必需分子。他们失去了用于创建氨基酸的完整基因途径，而氨基酸是构建蛋白质所必需的。结果，在没有提供P.marinus所需氨基酸的共生或有益物种的协助下，P.marinus不再能够在其自然环境中生存。在实验室中，研究人员在没有这些辅助物种的情况下，或直接添加必要的氨基酸，无法生长海藻。
依赖另一个物种
昆虫内部也存在类似的共生关系。细菌病原体纳多氏菌(Nardonella)的某些物种已经进行了基因组精简，其基因组大小小至230,000个单位的DNA，除了DNA合成和制造酪氨酸(一种用于构建蛋白质的氨基酸)所必需的基因途径以外的所有基因都脱落了。
这些细菌几乎所有的代谢需求都来自它们生活的象鼻虫。细菌反过来又为该途径提供了最终的组成部分，以便象鼻虫产生氨基酸酪氨酸，从而为象鼻虫构建一个更暗，更硬的外骨骼，从而保护昆虫免受天敌和干drying。结果，纳多氏菌不仅依靠寄主象鼻虫，而且为寄主象鼻虫提供了好处，以换取这种依赖。
像人类一样，这些物种都有结构化的遗传信息，但是对这些动物，植物和细菌的研究表明，并非每个基因对于在其环境中生存都是必不可少的。随着研究人员继续探索基因组优化，我们将进一步了解遗传适应是如何产生的，遗传信息的损失如何影响物种的基因组，以及为了在独特的，具有挑战性的环境中生存，物种必须拥有的基因很少。