Dokument: Patterns and causes of gene evolution over long evolutionary distances in prokaryotes

Titel:	Patterns and causes of gene evolution over long evolutionary distances in prokaryotes
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=63175
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240820-090935-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Nagies, Falk Sascha Per [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 20,64 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.07.2023 / geändert 15.07.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Martin, William F. [Gutachter] Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter]
Stichwörter:	Prokaryoten Sauerstoff Gentransfer
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Der horizontale Gentransfer (HGT) ermöglicht es Mikroben sich anzupassen, aber er erlaubt auch die Entstehung neuer Arten durch massive Genübertragungen. Angesichts dieser hohen Variabilität von Genen zwischen entfernt verwandten Gruppen sind die Artengrenzen bei Prokaryonten nicht klar definiert. Es wurde jedoch berichtet, dass bestimmte Gene eher vertikal von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden. Diese Gene, häufig ribosomale Proteine, sind in der Tat so resistent gegen eine Übertragung, dass die Phylogenetik sie als Instrument zur Bestimmung der Verwandtschaftsverhältnisse zwischen prokaryotischen Arten nutzt. Die Vertikalität von Genen wird eines der Hauptthemen dieser Arbeit sein. Im Gegensatz dazu sind einige Gene anscheinend anfällig für horizontale Transfers zwischen den Abstammungslinien. In einigen Fällen könnten diese massiven Transfers eine ökologische Notwendigkeit gewesen sein, damit die Abstammungslinien Veränderungen in der Umwelt auf globaler Ebene überleben konnten. Eine solche Veränderung ist das Great Oxygenation Event vor etwa 2,4 Milliarden Jahren. Die Photosynthese der Cyanobakteria führte zu einer Anreicherung der Atmosphäre mit ihrem Abfallprodukt: Sauerstoff. Dieses neue Molekül war für viele der vorhandenen Arten sowohl schädlich als auch vorteilhaft, da Sauerstoff für anaerobe Organismen tödlich sein kann, aber auch eine enorme Freisetzung von Energie und die Zersetzung von ansonsten schwer abbaubaren Verbindungen ermöglicht. Daher kann man davon ausgehen, dass sich Enzyme, die Sauerstoff verwerten, in der Welt der Prokaryonten schnell verbreitet haben. Eine andere Möglichkeit der Anpassung von Organismen besteht in der Schaffung neuer Gene, die durch Genduplikationen entstehen können. Dieser Prozess ist jedoch bei Eukaryonten viel häufiger als bei Prokaryonten. Es ist bekannt, dass die ersten Eukaryonten eine Symbiose zwischen zwei Prokaryonten waren, wahrscheinlich einem archäischen Wirt und einem bakteriellen Symbionten, aus dem sich später die Mitochondrien entwickelten (Endosymbiose). Während dieses Übergangs von zwei Prokaryonten zu einer Einheit, den Eukaryonten, könnten Duplikationen eine größere Rolle als bisher in der Evolution der beiden Linien gespielt haben. Außerdem wird oft übersehen, dass die ursprünglichen Symbionten ebenfalls Prokaryoten waren und daher wahrscheinlich HGT betrieben. Diese Prozesse sollten aufgrund der ursprünglichen Gentransfers nachweisbare Signale in den heutigen eukaryotischen Genomen hinterlassen. Doch auch wenn diese Signale nachweisbar sind, bleibt es schwierig, sie zu interpretieren. Lange Zeiträume machen es schwierig, alle möglichen Hinweise richtig zu interpretieren. In der Folge wird es fast unüberwindbar schwieriger, Daten aus noch länger zurückliegenden Zeiten zu interpretieren: Die Entstehung des Lebens. An diesem Beispiel lässt sich aber auch zeigen, dass konkurrierende Hypothesen zwar immer noch verschiedene Gemeinsamkeiten haben, sich aber in der Ausführung und im Zeitpunkt dieser Gemeinsamkeiten unterscheiden. Horizontal gene transfer (HGT) allows prokaryotes to adapt, but it also allows for new lineages to be created by gene influx. Transfers occur even among distantly related groups. As a result, species barriers are not well defined in prokaryotes. Nevertheless, there are vertical components of prokaryotic evolution. These vertically inherited genes, often genes for ribosomal components, are sufficiently resistant to transfer that phylogeneticists can use them as a tool to determine relationships among prokaryotic species. The verticality of genes will be one of the main themes throughout this thesis. It will be shown that more universal genes generally have high verticality. Contrary to vertical genes like those for ribosome biogenesis, some genes are apparently prone to horizontal transfers among lineages. In some cases, these massive transfers may have been an ecological necessity for lineages to survive shifts in the environment. Such a shift was the Great Oxygenation Event that occurred around 2.4 Ga years ago and altered Earth on a global scale. Photosynthesis by cyanobacteria led to the accumulation of O2 in the atmosphere. This new molecule was both detrimental and beneficial to many of the existing species since oxygen can be lethal to anaerobic organisms, which all life was before the Great Oxygenation Event, but it also allows for the decomposition of compounds that are otherwise hard to break down. As a result, it is reasonable to expect genes for enzymes that utilize oxygen to have spread quickly among the prokaryotic world and thus show lower verticality than comparable enzymes. A different way for organisms to adapt is to evolve new genes, which can arise by gene duplications. However, this process is much more common among eukaryotes than prokaryotes. The first eukaryotes are the result of a symbiosis between two prokaryotes, likely an archaeal host and a bacterial symbiont that would later become the mitochondrion. During this transition from two prokaryotes to one entity – the eukaryotes – gene duplications may have played a more prominent role than previously in the evolution of either lineage. Moreover, the original symbionts also were prokaryotes and hence performed HGT. These processes should leave detectable signals in today’s eukaryotic genomes by virtue of ancient gene transfers. But it remains hard to interpret these signals. Long time frames make it hard to interpret all the possible clues. For very ancient divergences approaching the origin of life, the problems of interpreting the signals in gene data become even greater, nearly insurmountable. By taking the origin of life as one example of ancient evolution, it is possible to show that competing hypotheses can have various aspects in common but differ in the timing of their common elements.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	20.08.2024
Dateien geändert am:	20.08.2024
Promotionsantrag am:	09.05.2023
Datum der Promotion:	03.07.2023