Эволюция путем дупликации генов
Эволюция путем дупликации генов — это событие, при котором ген или часть гена может иметь две идентичные копии, которые невозможно отличить друг от друга. Считается, что это явление является важным источником новизны в эволюции, обеспечивающим расширенный набор молекулярных активностей. В основе мутационного события дупликации может лежать обычная мутация дупликации гена внутри хромосомы или более масштабное событие, затрагивающее целые хромосомы ( анеуплоидия ) или целые геномы ( полиплоидия ). Классический вид, созданный Сусуму Оно . [ 1 ] которая известна как модель Оно, он объясняет, как дублирование создает избыточность, избыточная копия накапливает полезные мутации, которые обеспечивают топливо для инноваций. [ 2 ] Знания об эволюции путем дупликации генов развивались быстрее за последние 15 лет благодаря новым геномным данным, более мощным вычислительным методам сравнительного вывода и новым эволюционным моделям.
Теоретические модели
[ редактировать ]Существует несколько моделей, которые пытаются объяснить, как новые клеточные функции генов и кодируемых ими белковых продуктов развиваются посредством механизма дупликации и дивергенции. Хотя каждая модель может объяснить определенные аспекты эволюционного процесса, относительная важность каждого аспекта до сих пор неясна. На этой странице представлены только те теоретические модели, которые в настоящее время обсуждаются в литературе. Обзорные статьи на эту тему можно найти внизу.
В дальнейшем будет проводиться различие между объяснением краткосрочных эффектов (сохранения) дупликации гена и ее долгосрочных результатов.
Сохранение дубликатов генов
[ редактировать ]Поскольку дупликация гена происходит только в одной клетке, либо в одноклеточном организме, либо в зародышевой клетке многоклеточного организма, его носителю (т.е. организму) обычно приходится конкурировать с другими организмами, не несущими дупликацию. Если дупликация нарушает нормальное функционирование организма, организм имеет меньший репродуктивный успех (или низкую приспособленность ) по сравнению с его конкурентами и, скорее всего, быстро вымрет. Если дупликация не влияет на приспособленность, она может сохраняться в определенной части популяции. В некоторых случаях дупликация определенного гена может принести немедленную выгоду, предоставляя носителю преимущество в приспособленности.
Эффект дозы или амплификация гена
[ редактировать ]Так называемая « доза » гена относится к количеству транскриптов мРНК и впоследствии транслируемых белковых молекул, образующихся из гена за время и на клетку. Если количество генного продукта ниже оптимального уровня, существует два типа мутаций, которые могут увеличить дозировку: увеличение экспрессии гена за счет мутаций промотора и увеличение числа копий гена за счет дупликации гена. [ нужна ссылка ] .
Чем больше копий одного и того же (дублированного) гена имеет клетка в своем геноме, тем больше генного продукта может производиться одновременно. Если предположить, что не существует регулятивных петель обратной связи, которые автоматически подавляют экспрессию генов, количество генного продукта (или дозировка гена) будет увеличиваться с каждой дополнительной копией гена, пока не будет достигнут некоторый верхний предел или не будет доступно достаточное количество генного продукта.
Кроме того, при положительном отборе на повышенную дозу дублированный ген может сразу же принести пользу и быстро увеличить частоту встречаемости в популяции. В этом случае не потребуется никаких дальнейших мутаций для сохранения (или сохранения) дубликатов. Однако в более позднее время такие мутации все же могли произойти, приводя к появлению генов с другими функциями (см. ниже).
Эффекты дозировки генов после дупликации также могут быть вредными для клетки, и поэтому дупликация может быть выбрана против. Например, когда метаболическая сеть внутри клетки настроена так, что она может переносить только определенное количество определенного генного продукта, дупликация генов нарушит этот баланс. [ нужна ссылка ] .
Мутации, снижающие активность
[ редактировать ]В случаях дупликаций генов, которые не имеют немедленного эффекта приспособленности, сохранение дублирующей копии все еще возможно, если обе копии накапливают мутации, которые, например, снижают функциональную эффективность кодируемых белков, не ингибируя эту функцию полностью. В таком случае молекулярная функция (например, активность белка/фермента) будет по-прежнему доступна клетке, по крайней мере, в той степени, которая была доступна до дупликации (теперь обеспечиваемая белками, экспрессируемыми из двух генных локусов, а не из одного генного локуса). Однако случайная потеря одной копии гена может оказаться пагубной, поскольку активность одной копии гена с пониженной активностью почти наверняка будет ниже той, которая была доступна до дупликации. [ нужна ссылка ]
Долгосрочная судьба дуплицированных генов
[ редактировать ]Если дупликация гена сохраняется, наиболее вероятная судьба такова, что случайные мутации в одной дублирующейся копии гена в конечном итоге приведут к тому, что ген станет нефункциональным. . [ 3 ] Такие нефункциональные остатки генов с обнаруживаемой гомологией последовательностей иногда все еще можно обнаружить в геномах и называются псевдогенами .
Функциональное расхождение между дубликатами генов — еще одна возможная судьба. Существует несколько теоретических моделей, которые пытаются объяснить механизмы, ведущие к дивергенции:
Неофункционализация
[ редактировать ]Термин «неофункционализация» был впервые предложен Force et al. 1999, [ 4 ] но это относится к общему механизму, предложенному Оно 1970. [ 1 ] Долгосрочный результат неофункционализации заключается в том, что одна копия сохраняет исходную (до дупликации) функцию гена, а вторая копия приобретает отдельную функцию. Она также известна как модель MDN, «мутация во время нефункциональности». Основной критикой этой модели является высокая вероятность нефункционализации, то есть потери всей функциональности гена из-за случайного накопления мутаций. [ 5 ] [ 6 ]
Модель IAD
[ редактировать ]IAD означает «инновации, амплификация, дивергенция» и направлен на объяснение эволюции новых функций гена при сохранении существующих функций. [ 5 ] Инновация, то есть установление новой молекулярной функции, может происходить посредством побочной активности генов и, следовательно, белков. Это называется беспорядочными связями ферментов . [ 7 ] Например, ферменты иногда могут катализировать более одной реакции, хотя обычно они оптимизированы для катализа только одной реакции. Такие беспорядочные функции белка, если они обеспечивают преимущество организму-хозяину, затем могут быть усилены с помощью дополнительных копий гена. Такая быстрая амплификация лучше всего известна у бактерий, которые часто несут определенные гены на более мелких нехромосомных молекулах ДНК (называемых плазмидами), способных к быстрой репликации. Любой ген в такой плазмиде также реплицируется, и дополнительные копии усиливают экспрессию кодируемых белков, а вместе с ней и любую беспорядочную функцию. После того, как несколько таких копий были созданы и переданы потомкам бактериальных клеток, некоторые из этих копий могут накапливать мутации, которые в конечном итоге приведут к тому, что побочная активность станет основной.
Модель IAD ранее была протестирована в лаборатории с использованием в качестве отправной точки бактериального фермента с двойной функцией. Этот фермент способен катализировать не только свою первоначальную функцию, но и побочную функцию, которую может выполнять другой фермент. Позволив бактериям с этим ферментом развиваться в результате отбора для улучшения обеих активностей (исходной и побочной) в течение нескольких поколений, было показано, что один предковый бифункциональный ген с плохой активностью (инновация) эволюционировал первым путем амплификации гена, чтобы увеличить экспрессию плохого фермента. , а позже накопились более полезные мутации, которые улучшили одно или оба вида деятельности и могут быть переданы следующему поколению (дивергенция). [ 2 ]
Субфункциональность
[ редактировать ]Термин «субфункционализация» также был впервые предложен Force et al. 1999. [ 4 ] Эта модель требует, чтобы предковый ген (до дупликации) имел несколько функций (подфункций), на которых комплементарно специализируются гены-потомки (постдупликация). В настоящее время существует как минимум две разные модели, которые обозначаются как субфункционализация: «DDC» и «EAC».
Модель ДДК
[ редактировать ]DDC означает «дупликация-дегенерация-дополнение». Эта модель была впервые представлена Force et al. 1999. [ 4 ] Первый шаг — дупликация генов. Дупликация гена сама по себе не является ни полезной, ни вредной, поэтому ее частота будет оставаться низкой в популяции людей, не являющихся носителями дупликации. По мнению DDC, этот период нейтрального дрейфа может в конечном итоге привести к дополнительному сохранению подфункций, распределенных по двум копиям гена. Это происходит за счет снижающих активность (дегенеративных) мутаций в обоих дубликатах, накапливающихся с течением времени и многих поколений. В совокупности два мутировавших гена обеспечивают тот же набор функций, что и предковый ген (до дупликации). Однако если один из генов будет удален, оставшийся ген не сможет обеспечивать полный набор функций, и клетка-хозяин, вероятно, пострадает от некоторых пагубных последствий. Следовательно, на этой более поздней стадии процесса существует сильное давление отбора, направленное против удаления любой из двух копий гена, возникших в результате дупликации генов. Дупликация навсегда закрепляется в геноме клетки-хозяина или организма.
Модель EAC
[ редактировать ]EAC означает «Бегство от адаптивного конфликта». Это имя впервые появилось в публикации Хиттингера и Кэрролла в 2007 году. [ 8 ] Эволюционный процесс, описываемый моделью EAC, на самом деле начинается до события дупликации генов. Одиночный (не дублированный) ген эволюционирует в направлении выполнения двух полезных функций одновременно. Это создает для гена «адаптивный конфликт», поскольку он вряд ли сможет выполнять каждую отдельную функцию с максимальной эффективностью. Промежуточным результатом эволюции мог бы стать многофункциональный ген, и после дупликации гена его подфункции могли бы выполнять специализированные потомки гена. Результат будет таким же, как и в модели DDC: два функционально специализированных гена (паралоги). В отличие от модели DDC, модель EAC уделяет больше внимания многофункциональному состоянию развивающихся генов до дупликации и дает несколько иное объяснение того, почему дублированные многофункциональные гены выиграют от дополнительной специализации после дупликации (потому что адаптивного конфликта многофункционального предка, требующего разрешения). В соответствии с EAC существует предположение о положительном давлении отбора, движущем эволюции после дупликации генов, тогда как модель DDC требует только нейтральной («ненаправленной») эволюции, то есть дегенерации и комплементации.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Сусуму Оно (1970). Эволюция путем дупликации генов . Спрингер-Верлаг . ISBN 0-04-575015-7 .
- ^ Перейти обратно: а б Андерссон Д.И., Йерлстрем-Хультквист Дж., Нэсвалл Дж. Эволюция новых функций de novo и из ранее существовавших генов. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 1 июня 2015 г.;7(6):a017996.
- ^ Линч, М; и др. (2000). «Эволюционная судьба и последствия дублирования генов». Наука . 290 (5494): 1151–2254. Бибкод : 2000Sci...290.1151L . дои : 10.1126/science.290.5494.1151 . ПМИД 11073452 .
- ^ Перейти обратно: а б с Форс, А.; и др. (1999). «Сохранение дубликатов генов за счет комплементарных дегенеративных мутаций» . Генетика . 151 (4): 1531–1545. дои : 10.1093/генетика/151.4.1531 . ПМЦ 1460548 . ПМИД 10101175 .
- ^ Перейти обратно: а б Бергторссон Ю, Андерссон Д.И., Рот-младший (2007). «Дилемма Оно: эволюция новых генов в условиях непрерывного отбора» . ПНАС . 104 (43): 17004–17009. Бибкод : 2007PNAS..10417004B . дои : 10.1073/pnas.0707158104 . ПМК 2040452 . ПМИД 17942681 .
- ^ Грауэр, Дэн; Ли, Вэнь-Сюин (2000). Основы молекулярной эволюции . Сандерленд, Массачусетс: Синауэр. стр. 282–283 . ISBN 0-87893-266-6 .
- ^ Бергторссон Ю, Андерссон Д.И., Рот-младший. Дилемма Оно: эволюция новых генов в условиях непрерывного отбора. Труды Национальной академии наук. 23 октября 2007 г.; 104 (43): 17004-9.
- ^ Хиттингер CT, Кэрролл С.Б. (2007). «Дупликация генов и адаптивная эволюция классического генетического переключателя». Природа . 449 (7163): 677–81. Бибкод : 2007Natur.449..677H . дои : 10.1038/nature06151 . ПМИД 17928853 . S2CID 4418250 .