Избыточность генов
Избыточность генов — это наличие в геноме организма нескольких генов, выполняющих одну и ту же функцию. Избыточность генов может быть результатом дупликации генов . [1] Такие события дупликации ответственны за появление многих наборов паралогичных генов. [1] Когда отдельный ген в таком наборе разрушается в результате мутации или целевого нокаута может быть незначительным , влияние на фенотип из-за избыточности гена, тогда как эффект велик для нокаута гена только с одной копией. [2] Нокаут гена - это метод, используемый в некоторых исследованиях с целью охарактеризовать функциональное перекрытие эффектов поддержания и приспособленности. [3]
Классические модели поддержания предполагают, что дуплицированные гены могут сохраняться в геномах в разной степени благодаря их способности компенсировать вредные мутации, связанные с утратой функции. [4] [5] Эти классические модели не принимают во внимание потенциальное влияние положительного отбора. Помимо этих классических моделей, исследователи продолжают изучать механизмы, с помощью которых избыточные гены поддерживаются и развиваются. [6] [7] [8] Избыточность генов уже давно рассматривается как источник возникновения новых генов; [8] то есть новые гены могут возникнуть, когда на дубликат существует селективное давление, в то время как исходный ген сохраняется для выполнения исходной функции, как это предполагает более новые модели. [4] .
избыточных генов эволюция Происхождение и
Избыточность генов чаще всего возникает в результате дупликации генов . [9] Тремя наиболее распространенными механизмами дупликации генов являются ретропозиция , неравный кроссинговер и негомологичная сегментная дупликация. Ретропозиция — это когда транскрипт мРНК гена обратно транскрибируется обратно в ДНК и вставляется в геном в другом месте. При неравном кроссинговере гомологичные хромосомы обмениваются неравномерными участками своей ДНК. Это может привести к переносу гена одной хромосомы на другую хромосому, в результате чего на одной хромосоме останутся два одинаковых гена, а на другой хромосоме не останется копий гена. Негомологичные дупликации возникают в результате ошибок репликации, которые перемещают интересующий ген в новое положение. Затем происходит тандемная дупликация, в результате которой создается хромосома с двумя копиями одного и того же гена. На рисунке 1 представлена визуализация этих трех механизмов. [10] Когда ген дублируется в геноме, две копии изначально функционально избыточны. Эти избыточные гены считаются паралогами, поскольку со временем они накапливают изменения, пока не начнут функционально расходиться. [11]
Многие исследования сосредоточены вокруг вопроса о том, как сохраняются избыточные гены. [12] В попытке объяснить сохранение избыточных генов возникли три модели: адаптивная радиация, дивергенция и бегство от адаптивного конфликта. Примечательно, что на сохранение после события дупликации влияет тип события дупликации и тип класса генов. То есть некоторые классы генов лучше подходят для дублирования после мелкомасштабной дупликации или дублирования всего генома. [13] Избыточные гены с большей вероятностью выживут, если они участвуют в сложных путях и являются продуктом дупликации всего генома или мультисемейной дупликации. [13]
В настоящее время принятые результаты для одиночных дубликатов генов включают: потерю гена (нефункционализацию), функциональную дивергенцию и консервацию для повышения генетической устойчивости. [11] В противном случае мультигенные семьи могут подвергнуться согласованной эволюции или эволюции рождения и смерти. [11] Согласованная эволюция — это идея о том, что гены в группе, например в семействе генов, развиваются параллельно. [11] Концепция эволюции от рождения и смерти заключается в том, что семейство генов подвергается сильному очищающему отбору. [11]
Функциональное расхождение
Поскольку геном реплицируется на протяжении многих поколений, функция избыточного гена, скорее всего, будет развиваться из-за генетического дрейфа . Генетический дрейф влияет на генетическую избыточность, либо устраняя варианты, либо фиксируя варианты в популяции. [12] В случае, если генетический дрейф сохраняет варианты, ген может накапливать мутации, которые изменяют общую функцию. [14] Однако многие избыточные гены могут расходиться, но сохранять первоначальную функцию за счет таких механизмов, как субфункционализация, которая сохраняет исходную функцию гена, хотя и за счет комплементарного действия дубликатов. [13] [12] Тремя механизмами функциональной дивергенции генов являются нефункционализация (или потеря гена), неофункционализация и субфункционализация. [11]
Во время нефункционализации или дегенерации/утраты гена одна копия дублированного гена приобретает мутации, которые делают его неактивным или молчащим . Нефункционализация часто является результатом дупликации отдельных генов. [11] В это время ген не выполняет никакой функции и называется псевдогеном . Псевдогены могут быть потеряны со временем из-за генетических мутаций. Неофункционализация происходит, когда одна копия гена накапливает мутации, которые придают гену новую полезную функцию, отличную от исходной. Субфункционализация происходит, когда обе копии избыточного гена приобретают мутации. Каждая копия становится активной лишь частично; две из этих частичных копий затем действуют как одна нормальная копия исходного гена. На рисунке 2 справа представлена визуализация этой концепции.
Мобильные элементы [ править ]
Мобильные элементы играют различную роль в функциональной дифференциации. Запуская рекомбинацию, мобильные элементы могут перемещать избыточные последовательности в геноме. [15] Это изменение в структуре и расположении последовательностей является источником функциональных расхождений. [15] Мобильные элементы потенциально влияют на экспрессию генов, поскольку они содержат значительное количество микроРНК. [15]
генов Гипотезы поддержания
Эволюция и происхождение избыточных генов остаются неизвестными, во многом потому, что эволюция происходит в течение столь длительного периода времени. Теоретически ген не может сохраняться без мутации, если на него не оказывается селективное давление. Таким образом, избыточность гена позволит обеим копиям гена накапливать мутации до тех пор, пока другая будет способна выполнять свою функцию. Это означает, что все избыточные гены теоретически должны стать псевдогенами и в конечном итоге потеряться. Ученые разработали две гипотезы относительно того, почему в геноме могут оставаться избыточные гены: резервная гипотеза и гипотеза контрейлерной связи. [16]
Резервная гипотеза предполагает, что избыточные гены остаются в геноме в качестве своего рода «запасного плана». Если исходный ген теряет свою функцию, избыточный ген берет на себя управление и поддерживает жизнь клетки. Гипотеза контрейлерной связи утверждает, что два паралога в геноме имеют некую непересекающуюся функцию, а также избыточную функцию. В этом случае избыточная часть гена остается в геноме из-за близости к участку, кодирующему уникальную функцию. [17] Причина, по которой избыточные гены остаются в геноме, является постоянным вопросом, и избыточность генов изучается исследователями во всем мире. Помимо резервных и контрейлерных моделей существует множество гипотез. Например, исследование Мичиганского университета выдвинуло теорию о том, что избыточные гены сохраняются в геноме за счет снижения экспрессии.
Исследования [ править ]
генов филогения Семейства и
Исследователи часто используют историю избыточных генов в виде семейств генов , чтобы узнать о филогении вида. Чтобы избыточные гены подверглись функциональной диверсификации, требуется время; степень диверсификации между ортологами говорит нам, насколько тесно связаны эти два генома. События дупликации генов также можно обнаружить, наблюдая за увеличением количества дубликатов генов.
Хорошим примером использования избыточности генов в эволюционных исследованиях является эволюция семейства генов KCS у растений . В этой статье изучается, как один ген KCS превратился в целое семейство генов посредством событий дупликации. Количество избыточных генов у этого вида позволяет исследователям определить, когда произошли события дупликации и насколько тесно связаны виды.
и характеристика генов избыточных Обнаружение
В настоящее время существует три способа обнаружения паралогов в известной геномной последовательности: простая гомология (FASTA), эволюция семейства генов (TreeFam) и ортология (eggNOG v3). Исследователи часто строят филогении и используют микрочипы для сравнения структур геномов с целью выявления избыточности. [18] Такие методы, как создание синтенных выравниваний и анализ ортологичных областей, используются для сравнения нескольких геномов. Отдельные геномы можно сканировать на наличие избыточных генов, используя исчерпывающие парные сравнения. [18] Прежде чем приступить к более кропотливому анализу избыточных генов, исследователи обычно проверяют их функциональность, сравнивая длину открытой рамки считывания и частоту молчащих и немолчащих мутаций. [18] После завершения проекта «Геном человека » исследователям стало гораздо проще аннотировать геном человека. Используя онлайн-базы данных, такие как Genome Browser в UCSC, исследователи могут искать гомологию в последовательности интересующего их гена.
предрасположенности к раку железы Гены молочной
Было обнаружено, что способ дупликации, посредством которого возникает избыточность, влияет на классификацию генов предрасположенности к раку молочной железы. [19] Большие дупликации усложняют клиническую интерпретацию, поскольку трудно различить, происходят ли они одновременно. Последние методы, такие как анализ точек разрыва ДНК, были использованы для определения статуса тандема. [19] В свою очередь, эти тандемные грубые дупликации могут быть более точно проверены на предмет патогенного статуса. [19] Это исследование имеет важные последствия для оценки риска рака молочной железы. [19]
Устойчивость патогенов Triticeae травах в
Исследователи также выявили избыточные гены, которые обеспечивают селективное преимущество на уровне организма. Было обнаружено, что частичный ген ARM1, избыточный ген, возникающий в результате частичной дупликации, придает устойчивость к Blumeria graminis , грибку плесени. [20] Этот ген существует у представителей трибы Triticeae , включая пшеницу , рожь и ячмень . [20]
человека гены Избыточные
Обонятельные рецепторы [ править ]
Семейство генов обонятельных рецепторов человека (OR) содержит 339 интактных генов и 297 псевдогенов. Эти гены обнаруживаются в разных местах генома, но только около 13% находятся в разных хромосомах или в отдаленных локусах. У человека обнаружено 172 подсемейства OR-генов, каждое в своих локусах. Поскольку гены в каждом из этих подсемейств структурно и функционально схожи и находятся в непосредственной близости друг от друга, предполагается, что каждый из них произошел от отдельных генов, претерпевших события дупликации. Большое количество подсемейств у людей объясняет, почему мы способны распознавать так много запахов.
Гены OR человека имеют гомологи у других млекопитающих, таких как мыши, что демонстрирует эволюцию генов обонятельных рецепторов. Было обнаружено, что одно конкретное семейство, которое участвует в начальном этапе восприятия запаха, высоко консервативно на протяжении всей эволюции позвоночных. [21]
Болезнь [ править ]
Часто считается, что события дупликации и избыточные гены играют роль в некоторых заболеваниях человека. Крупномасштабные события дупликации всего генома, произошедшие на ранних этапах эволюции позвоночных, могут быть причиной того, что гены моногенных заболеваний человека часто содержат большое количество избыточных генов. Чен и др. выдвигает гипотезу о том, что функционально избыточные паралоги в генах моногенных заболеваний человека маскируют эффекты доминантных вредных мутаций, тем самым сохраняя ген заболевания в геноме человека. [22]
Дупликация всего генома может быть основной причиной сохранения некоторых генов, вызывающих опухоли, в геноме человека. [23] Например, Страут и др. [24] показали, что события тандемной дупликации, вероятно, посредством гомологичной рекомбинации, связаны с острым миелоидным лейкозом . Частичная дупликация гена ALL1 ( MLL ) — генетический дефект, обнаруженная у пациентов с острым миелолейкозом.
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б Конрад, Бернард; Антонаракис, Стилианос Э. (сентябрь 2007 г.). «Дупликация генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина заболеваний человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 (1): 17–35. дои : 10.1146/annurev.genom.8.021307.110233 . ISSN 1527-8204 . ПМИД 17386002 .
- ^ Перес-Перес Х.М., Кандела Х., Миколь Х.Л. (август 2009 г.). «Понимание синергии в генетических взаимодействиях». Тенденции Жене . 25 (8): 368–76. дои : 10.1016/j.tig.2009.06.004 . ПМИД 19665253 .
- ^ Перес-Перес, Хосе Мануэль; Свеча, Гектор; Миколь, Хосе Луис (1 августа 2009 г.). «Понимание синергии в генетических взаимодействиях» . Тенденции в генетике . 25 (8): 368–376. дои : 10.1016/j.tig.2009.06.004 . ISSN 0168-9525 . ПМИД 19665253 .
- ^ Перейти обратно: а б Новак М.А., Бурлийст М.К., Кук Дж., Смит Дж.М. 1997. nowak_smith_1997_evolution_of_genetic_redundancy_Nature97. 275:1–5. sftp://[email protected]/home/cerca/Desktop/data/laptop_files/info/biologia/filogeny_evolution/evolution_multigene_families/nowak_smith_1997_evolution_of_genetic_redundancy_Nature97.pdf%5Cnpapers2://publication/uuid/BFCD7B63-4802- 4C83-96AE-A2ED496127F3.
- ^ Мартиенссен, Роб; Айриш, Вивиан (1 ноября 1999 г.). «Копирование нашей азбуки: роль избыточности генов в интерпретации генетических иерархий» . Тенденции в генетике . 15 (11): 435–437. дои : 10.1016/S0168-9525(99)01833-8 . ISSN 0168-9525 . ПМИД 10529802 .
- ^ Конрад, Бернард; Антонаракис, Стилианос Э. (сентябрь 2007 г.). «Дупликация генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина заболеваний человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 (1): 17–35. дои : 10.1146/annurev.genom.8.021307.110233 . ISSN 1527-8204 . ПМИД 17386002 .
- ^ Force A и др. 1999. Сохранение дубликатов генов за счет комплементарных дегенеративных мутаций. Генетика. 151:1531–1545.
- ^ Перейти обратно: а б Лонг М., Ванкурен Н.В., Чен С., Вибрановски М.Д. 2013. Эволюция новых генов: мало что мы знали. Анну. Преподобный Жене. 47:307–333. doi : 10.1146/annurev-genet-111212-133301
- ^ Вагнер, Андреас (1 июня 1996 г.). «Генетическая избыточность, вызванная дупликацией генов, и ее эволюция в сетях регуляторов транскрипции» . Биологическая кибернетика . 74 (6): 557–567. дои : 10.1007/BF00209427 . ISSN 1432-0770 . ПМИД 8672563 . S2CID 8616418 .
- ^ Херлс, Мэтью (13 июля 2004 г.). «Дупликация генов: геномная торговля запасными частями» . ПЛОС Биология . 2 (7): е206. дои : 10.1371/journal.pbio.0020206 . ISSN 1545-7885 . ПМК 449868 . ПМИД 15252449 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г Конрад, Бернард; Антонаракис, Стилианос Э. (сентябрь 2007 г.). «Дупликация генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина заболеваний человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 (1): 17–35. дои : 10.1146/annurev.genom.8.021307.110233 . ISSN 1527-8204 . ПМИД 17386002 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лонг М., Ванкурен Н.В., Чен С., Вибрановски М.Д. 2013. Эволюция новых генов: мало что мы знали. Анну. Преподобный Жене. 47:307–333. doi : 10.1146/annurev-genet-111212-133301
- ^ Перейти обратно: а б с Конант, GC; Вулф, К.Х. (2008). «Превращение хобби в работу: как дублированные гены находят новые функции». Обзоры природы Генетика . 9 (12): 938–950. дои : 10.1038/nrg2482 . ПМИД 19015656 . S2CID 1240225 .
- ^ Force A и др. 1999. Сохранение дубликатов генов за счет комплементарных дегенеративных мутаций. Генетика. 151:1531–1545.
- ^ Перейти обратно: а б с Платт, Рой Н.; Вандевеге, Майкл В.; Рэй, Дэвид А. (март 2018 г.). «Мобильные элементы млекопитающих и их влияние на эволюцию генома» . Хромосомные исследования . 26 (1–2): 25–43. дои : 10.1007/s10577-017-9570-z . ISSN 0967-3849 . ПМЦ 5857283 . ПМИД 29392473 .
- ^ Чжан, Цзяньчжи (2012). «Генетическая избыточность и их эволюционное поддержание». Эволюционная системная биология . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 751. С. 279–300. дои : 10.1007/978-1-4614-3567-9_13 . ISBN 978-1-4614-3566-2 . ПМИД 22821463 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Цянь, Вэньфэн; Ляо, Бен-Ян; Чанг, Эндрю Ю.-Ф.; Чжан, Цзяньчжи (01 октября 2010 г.). «Поддержание дубликатов генов и их функциональной избыточности за счет снижения экспрессии» . Тенденции в генетике . 26 (10): 425–430. дои : 10.1016/j.tig.2010.07.002 . ISSN 0168-9525 . ПМК 2942974 . ПМИД 20708291 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лонг М., Ванкурен Н.В., Чен С., Вибрановски М.Д. 2013. Эволюция новых генов: мало что мы знали. Анну. Преподобный Жене. 47:307–333. doi : 10.1146/annurev-genet-111212-133301
- ^ Перейти обратно: а б с д Ричардсон, Марси Э.; Чонг, Хансук; Му, Вэньбо; Коннер, Блэр Р.; Сюань, Вики; Уиллетт, Сара; Лам, Стефани; Цай, Пей; Песаран, Тина; Чемберлин, Адам К.; Пак, Мин-Вс (28 июля 2018 г.). «Анализ точки разрыва ДНК показывает, что большинство грубых дупликаций происходит одновременно, снижая классификацию VUS в генах предрасположенности к раку молочной железы» . Генетика в медицине . 21 (3): 683–693. дои : 10.1038/s41436-018-0092-7 . ISSN 1098-3600 . ПМЦ 6752314 . ПМИД 30054569 .
- ^ Перейти обратно: а б Раджараман, Джияраман; Душков, Димитр; Люк, Стефани; Хензель, Гетц; Новара, Даниэла; Погода, Мария; Руттен, Тван; Мейтцель, Тобиас; Брассак, Джонатан; Хёфле, Кэролайн; Хюкельховен, Ральф (15 августа 2018 г.). «Эволюционно консервативная частичная дупликация генов в трибе трав Triticeae обеспечивает устойчивость к патогенам» . Геномная биология . 19 (1): 116. дои : 10.1186/s13059-018-1472-7 . ISSN 1474-760X . ПМК 6092874 . ПМИД 30111359 .
- ^ Малник, Беттина; Годфри, Пол А.; Бак, Линда Б. (24 февраля 2004 г.). «Семейство генов обонятельных рецепторов человека» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (8): 2584–2589. Бибкод : 2004PNAS..101.2584M . дои : 10.1073/pnas.0307882100 . ISSN 0027-8424 . ПМК 356993 . ПМИД 14983052 .
- ^ Чен, Вэй-Хуа; Чжао, Син-Мин; ван Ноорт, Вера; Борк, Пер (01 мая 2013 г.). «Гены моногенных заболеваний человека часто имеют функционально избыточные паралоги» . PLOS Вычислительная биология . 9 (5): e1003073. Бибкод : 2013PLSCB...9E3073C . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003073 . ISSN 1553-734X . ПМЦ 3656685 . ПМИД 23696728 .
- ^ Малагути, Джулия; Сингх, Парам Прия; Исамбер, Эрве (01 мая 2014 г.). «О сохранении дубликатов генов, склонных к доминантным вредным мутациям» . Теоретическая популяционная биология . 93 : 38–51. дои : 10.1016/j.tpb.2014.01.004 . ISSN 1096-0325 . ПМИД 24530892 .
- ^ Страут, Мэтью П.; Маркуччи, Гвидо; Блумфилд, Клара Д.; Калиджури, Майкл А. (3 марта 1998 г.). «Частичная тандемная дупликация ALL1 (MLL) последовательно генерируется посредством Alu-опосредованной гомологичной рекомбинации при остром миелоидном лейкозе» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (5): 2390–2395. Бибкод : 1998PNAS...95.2390S . дои : 10.1073/pnas.95.5.2390 . ISSN 0027-8424 . ЧВК 19353 . ПМИД 9482895 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Ленер Б. (2007). «Моделирование генотип-фенотипических отношений и заболеваний человека с помощью сетей генетического взаимодействия» . J Exp Biol . 210 (9): 1559–66. дои : 10.1242/jeb.002311 . ПМИД 17449820 .
- Учебный центр генетических наук. «Гомеозисные гены и модели тела». Learn.Genetics, 6 апреля 2016 г. <http://learn.genetics.utah.edu/content/variation/hoxgenes/>
- Го, Х.-С. и др. «Эволюция семейства генов KCS у растений: история дупликации генов, суб/неофункционализации и избыточности» . [1] «Молекулярная генетика и геномика (2015): 14 стр. Scopus®.
- Новак Ма, Бурлейст Мак, Кук Дж, Смит Джм. « Эволюция генетической избыточности» . Природа 388 , 167–171. (10 июля 1997 г.).
- ^ Го, Хай-Сун; Чжан, Янь-Мэй; Сунь, Сяо-Цинь; Ли, Ми-Ми; Повесься, Юэ-Ю; Сюэ, Цзя-Ю (12 ноября 2015 г.). «Эволюция семейства генов KCS у растений: история дупликации генов, суб/неофункционализации и избыточности». Молекулярная генетика и геномика . 291 (2): 739–752. дои : 10.1007/s00438-015-1142-3 . ISSN 1617-4615 . ПМИД 26563433 . S2CID 18320216 .