Кіріспе
Эволюциялық биологияда сақталған тізбектер – геномдарда немесе түрлер арасындағы ДНК, РНК немесе белок тізбектерінің ұқсас немесе бірдей болуы. Бұл тізбектер түрлер арасындағы (ортологтық тізбектер), геном ішіндегі (паралогтық тізбектер) немесе донор мен қабылдаушы таксондар арасындағы (ксенологтық тізбектер) тізбектер болуы мүмкін. Тізбектің сақталуы – табиғи іріктеу арқасында оның сақталғанын көрсетеді. Өте жоғары сақталу деңгейіне ие тізбектер филогенетикалық ағаштың төменгі тармақтарында, яғни геологиялық уақыттың өте ерте кезеңдерінде өзгеріссіз қалған тізбектерді білдіреді. Мұндай тізбектерге мысал ретінде өмірдің барлық домендерінде кездесетін рибосомалардың РНК компоненттері, эукариоттар арасында кең таралған гомеобокс тізбектері және бактериялардағы tmРНК-ны келтіруге болады. Тізбектердің сақталуын зерттеу геномика, протеомика, эволюциялық биология, филогенетика, биоинформатика және математика салаларымен байланысты.
In evolutionary biology, conserved sequences are identical or similar sequences in nucleic acids (DNA and RNA) or proteins across species (orthologous sequences), or within a genome (paralogous sequences), or between donor and receptor taxa (xenologous sequences). Conservation indicates that a sequence has been maintained by natural selection. A highly conserved sequence is one that has remained relatively unchanged far back up the phylogenetic tree, and hence far back in geological time. Examples of highly conserved sequences include the RNA components of ribosomes present in all domains of life, the homeobox sequences widespread amongst eukaryotes, and the tmRNA in bacteria. The study of sequence conservation overlaps with the fields of genomics, proteomics, evolutionary biology, phylogenetics, bioinformatics and mathematics.
Тарих
ДНҚ-ның тұқым қуалаудағы рөлінің анықталуы және 1949 жылы Фредерик Сангердің жануарлар инсулинінің арасындағы айырмашылықтарды байқауы, алғашқы молекулалық биологтарды таксономияны молекулалық көзқараспен зерттеуге түрткі берді. 1960 жылдардағы зерттеулер гемоглобин және цитохром c сияқты белгілі гомологты ақуыздардың ұқсастығын өлшеу үшін ДНҚ гибридизациясы және ақуыздың өзара әрекеттесуі техникаларын пайдаланды. 1965 жылы Эмиль Цукеркандл мен Линус Полинг молекулалық сағат тұжырымын ұсынды, екі организмнің қашан бөлініп шыққанын анықтау үшін аминқышқылдарының тұрақты алмасу деңгейін қолдануға болатынын айтты. Бастапқы филогенездер қазбалық жазбалармен сәйкес келсе де, кейбір гендер әртүрлі жылдамдықпен эволюцияға ұшырағаны байқалды, бұл молекулалық эволюция теориясының қалыптасуына әкелді.
Механизмдер
Көптеген ұрпақтар бойында эволюциялық желінің геномындағы нуклеин қышқылы тізбектері кездейсоқ мутациялар мен жойылулардың нәтижесінде уақыт өте келе біртіндеп өзгеруі мүмкін. Тізбектер хромосомалық реттелулерге байланысты қайта бірігуге немесе жойылуға ұшырауы мүмкін. Сақталған тізбектер – геномда мұндай күштерге қарамастан сақталатын, ал мутация жылдамдығы негізгі деңгейден төмен болатын тізбектер. Сақталу кодталатын және кодталмайтын нуклеин қышқылы тізбектерінде кездесе алады. Жоғары сақталған ДНҚ тізбектерінің функционалдық маңызы бар деп саналады, бірақ көптеген жоғары сақталған кодталмайтын ДНҚ тізбектерінің қызметі толыққанды түсініксіз. Тізбектің сақталу деңгейіне әртүрлі таңдау қысымдары, мутацияға төзімділігі, популяция мөлшері және генетикалық дрейф әсер етуі мүмкін. Көптеген функционалдық тізбектер модульдік болып келеді, олардың құрамында ақуыз домендері сияқты тәуелсіз таңдау қысымына ұшырауы мүмкін аймақтар бар.
Кодтау реті
Кодтау тізбектерінде нуклеин қышқылы мен амин қышқылы тізбегі әртүрлі деңгейде сақталуы мүмкін, себебі генетикалық кодтың дегенерациясы кодтау тізбегіндегі синонимді мутациялар оның ақуыз өнімінің амин қышқылы тізбегіне әсер етпейді. Амин қышқылдарының тізбегі ақуыздың немесе доменнің құрылымын немесе қызметін сақтау үшін сақталуы мүмкін. Сақталынған ақуыздар амин қышқылы алмасуы аз болады, немесе ұқсас биохимиялық қасиеттері бар амин қышқылдарымен алмасуға бейім. Тізбек ішінде бүктелуге, құрылымдық тұрақтылыққа немесе байланысу орнын құруға қатысты амин қышқылдары жоғары деңгейде сақталуы мүмкін. Ақуызды кодтаушы геннің нуклеин қышқылы тізбегі басқа да таңдау қысымдары арқылы сақталуы мүмкін. Кейбір организмдердегі кодонды пайдаланудың басымдылығы тізбектегі синонимді мутациялардың түрлерін шектеуі мүмкін. Кодтаушы геннің мРНК-сында екіншілік құрылымды тудыратын нуклеин қышқылы тізбектері теріс таңдануға ұшырауы мүмкін, себебі кейбір құрылымдар аудармаға кері әсер етуі мүмкін, немесе мРНК функционалдық кодтамайтын РНК ретінде де әрекет ететін жерлерде сақталуы мүмкін.
Кодталмаған
Гендік реттеу үшін маңызды кодталмаған тізбектер, мысалы, рибосомалардың байланысу немесе тану орындары және транскрипция факторлары геном ішінде сақталуы мүмкін. Мысалы, сақталған геннің немесе оперонның промоторы да сақталуы мүмкін. Протеиндер сияқты, кодтамайтын РНК (нкРНК) құрылымы мен функциясы үшін маңызды нуклеин қышқылы да сақталуы мүмкін. Дегенмен, нкРНК-да тізбек сақталуы протеин кодтайтын тізбектерге қарағанда көбінесе нашар болады, және құрылым мен функцияға үлес қосатын негіз жұптары жиі сақталады.
Сәйкестендіру
Сақталған реттіліктер әдетте реттіліктерінің салыстырылуына негізделген биоинформатикалық тәсілдер арқылы анықталады. 2000 жылдардың басынан бері жоғары өнімді ДНК секвенирлеу және белок массалық спектрометриясының жетістіктері белок реттіліктері мен толық геномдардың салыстыру үшін қолжетімділігін едәуір арттырды.
Гомология іздеу
Сақталған тізбектер гомологиялық іздеу арқылы анықталуы мүмкін, мұнда BLAST, HMMER, OrthologR және Infernal сияқты құралдар қолданылады. Гомологиялық іздеу құралдары жеке нуклеин қышқылы немесе белок тізбегін қабылдап, немесе белгілі байланысты тізбектердің көптеген тізбектік сәйкестендірулерінен жасалған статистикалық модельдерді пайдалана алады. Профильдік HMM және РНК ковариациялық модельдері сияқты статистикалық модельдер, сондай-ақ құрылымдық ақпаратты қамтиды, олар қашықтағы байланысты тізбектерді іздеуде көмектеседі. Енгізілген тізбектер туысқандардың немесе басқа түрлердің тізбектерінен тұратын деректер базасымен салыстырылады. Нәтижедегі сәйкестіктер сәйкес келетін аминқышқылдарының немесе негіздердің санына, сондай-ақ сәйкестік нәтижесінде пайда болған бос орындардың немесе жойылғандардың санына сәйкес бағаланады. PAM және BLOSUM сияқты алмастыру матрицаларын қолдану арқылы қабылданатын консервативті алмастыруларды анықтауға болады. Жоғары балл жинаған сәйкестіктер гомологты тізбектерден деп есептеледі. Тізбектің сақталуын кең филогенетикалық ауқымдағы өте ұқсас гомологтарды анықтау арқылы болжауға болады.
Бірнеше реттілік сәйкестендіру
[[File:LexA грамположительных бактерий последовательности логотип.png|400px|thumb|right|Грамположительных бактерийдің LexA байланыс мотивінің тізбектік логотипі. 5-ші позициядағы аденозин жоғары сақталғандықтан, ол басқа символдарға қарағанда ірі көрінеді. Тізбектік логотиптер, сондай-ақ, сәйкестендірудің әр нүктесіндегі символдардың пропорциясын биіктік арқылы көрсету арқылы сақталған тізбекті де көрсетуге болады.
Геномды сәйкестендіру
thumb 500px74px74right Бұл ECR браузеріндегі сурет OTX2 генінің сақталуында әртүрлі омыртқалы жануарлардың геномдарын адам геномымен салыстыру нәтижесін көрсетеді. Жоғарыда: OTX2 генінің экзондары мен интрондарының гендік белгілемелері көрсетілген. Әрбір геном үшін адам геномына шаққандағы тізбек ұқсастығы (%) көрсетілген. Іздерде зебра балығы, иттің, тауықтың, батыс тырнақты бақаның, опоссумның, егешқұйрықтың, резус макакасының және шимпанзенің геномдары көрсетілген. Шыңдар барлық геномдардағы жоғары тізбек ұқсастығының аймақтарын көрсетеді, бұл тізбектің жоғары деңгейде сақталғанын білдіреді. Бүкіл геномды салыстыру (WGA) түрлер арасындағы жоғары сақталған аймақтарды анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Қазіргі уақытта WGA құралдарының дәлдігі мен кеңейтілуі геномдық өзгерістерге, қайталама аймақтарға және көптеген эукариоттық геномдардың үлкен көлеміне байланысты есептеу күрделілігіне байланысты шектеулі болып қалады. Дегенмен, 30 немесе одан да көп жақын туысқан бактериялардың (прокариоттардың) геномдарын WGA арқылы салыстыру қазіргі таңда мүмкін болып келеді.
Өте сақталған элементтер
Өте сақталған элементтер немесе UCE – бірнеше таксономиялық топтарда өте ұқсас немесе толық сәйкес келетін тізбектер. Олар алғаш рет омыртқалы жануарларда табылды, кейіннен кең түрлі таксондарда анықталды. UCE-нің пайда болуы мен функциясы толыққанды түсініксіз болғанымен, олар амниоттар, жәндіктер және жануарлар мен өсімдіктер арасындағы көне уақыттардағы эволюциялық айырмашылықтарды зерттеуге қолданылды.
Жалпы сақталған гендер
Ең жоғары сақталған гендер – барлық организмдерде табылатын гендер. Олар негізінен транскрипция және трансляция үшін қажетті ncRNA және ақуыздардан тұрады, олардың барлық тіршіліктің соңғы ортақ ата-бабасынан сақталғаны болжанады. Көнеден бері сақталған гендер немесе гендер тобына GTP байланыстырушы ұзарту факторлары, Метионин аминопептидаза 2, Серин гидроксиметилтрансфераза және АТФ тасымалдаушылар кіреді. РНК полимераза және геликазалар сияқты транскрипция машинасының, сондай-ақ рибосомалық РНК, тРНК және рибосомалық ақуыздар сияқты трансляция машинасының құрамы да көнеден бері сақталады.
Филогенетика және таксономия
Сақталған реттілік жиынтығы көбінесе филогенетикалық ағаштарды құру үшін қолданылады, себебі ұқсас реттіліктері бар организмдердің жақын туыс екені болжанады. Реттіктерді таңдау зерттеудің таксономиялық көлеміне байланысты өзгеріп отыруы мүмкін. Мысалы, 16S РНҚ және басқа рибосомалық реттіктер сияқты ең жақсы сақталған гендер терең филогенетикалық байланыстарды қайта құру және метагеномикалық зерттеулерде бактериялық топтарын анықтау үшін пайдалы. Клад ішінде сақталатын, бірақ кейбір мутацияларға ұшырайтын, мысалы, «үй шаруашылығы» гендері, түрлер арасындағы қатынастарды зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. Консервацияланған рРНҚ гендерін аралыққа орналастыруға қажетті, бірақ жылдам эволюцияға ұшырайтын ішкі транскрипцияланған аралық (ITS) аймағы, көбінесе саңырауқұлақтарды және жылдам эволюциялайтын бактериялардың штамдарын жіктеу үшін қолданылады.
Медициналық зерттеулер
Жоғары сақталған тізбектер көбінесе маңызды биологиялық функцияларды атқаратындықтан, генетикалық аурулардың себебін анықтау үшін пайдалы бастапқы нүкте болуы мүмкін. Көптеген туа біткен метаболизмдік бұзылыстар және лизосомалық жинақтау аурулары жеке сақталған гендердегі өзгерістердің нәтижесінде пайда болады, бұл ауру симптомдарының түпкі себебі болып табылатын ферменттердің жетіспеуіне немесе бұзылуына әкеледі. Адам және егеуқұйрықтар немесе жеміс шыбжықтары сияқты зертханалық организмдер арасындағы сақталған тізбектерді анықтау және осы гендердің жойылған (нокаут) әсерін зерттеу арқылы генетикалық ауруларды болжауға болады. Геномдық ауқымды қатысу зерттеулері ауру немесе денсаулық салдарымен байланысты сақталған тізбектердегі өзгерістерді анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Альцгеймер ауруы үшін жиырмадан астам жаңа потенциалды сезімталдық локустары анықталды.
Функционалдық аннотация
Сақталған тізбектерді анықтау гендер сияқты функционалды тізбектерді табу және болжау үшін қолданылуы мүмкін. Белгілі функциясы бар сақталған тізбектер, мысалы, белок домендері, тізбектің қызметін болжау үшін де пайдаланылуы мүмкін. Pfam және Сақталған Домендер Дерекқоры сияқты сақталған белок домендерінің дерекқорларын болжамды белок кодтаушы гендердегі функционалдық домендерді белгілеу үшін қолдануға болады.