Неофункционализация

Неофункционализация , один из возможных результатов функциональной дивергенции , происходит, когда одна копия гена, или паралог , берет на себя совершенно новую функцию после события дупликации гена . Неофункционализация — это процесс адаптивных мутаций; это означает, что одна из копий гена должна мутировать, чтобы развить функцию, которой не было в предковом гене. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Другими словами, один из дубликатов сохраняет свою первоначальную функцию, а другой накапливает молекулярные изменения, так что со временем он может выполнять другую задачу. ^{[ 4 ]}

Процесс

Процесс неофункционализации начинается с события дупликации генов , которое, как полагают, происходит как защитный механизм против накопления вредных мутаций. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} После события дупликации гена возникают две идентичные копии предкового гена, выполняющие одну и ту же функцию. Эта избыточность позволяет копиям взять на себя новую функцию. В том случае, если новая функция оказывается выгодной, естественный отбор положительно отбирает ее, и новая мутация закрепляется в популяции. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Возникновение неофункционализации чаще всего можно объяснить изменениями кодирующей области или изменениями регуляторных элементов гена. ^{[ 6 ]} Гораздо реже можно увидеть серьезные изменения в функции белка, такие как структура субъединиц или субстрат и сродство к лигандам, в результате неофункционализации. ^{[ 6 ]}

Выборочные ограничения

Неофункционализацию также часто называют «мутацией во время нефункциональности» или «мутацией во время избыточности». ^{[ 9 ]} Независимо от того, возникает ли мутация из-за нефункциональности гена или из-за избыточных копий гена, важным аспектом является то, что в обоих сценариях одна копия дублированного гена освобождается от селективных ограничений и случайно приобретает новую функцию, которая затем улучшается. путем естественного отбора. ^{[ 6 ]} Считается, что этот процесс происходит очень редко в эволюции по двум основным причинам. Первая причина заключается в том, что функциональные изменения обычно требуют большого количества замен аминокислот; вероятность возникновения которого мала. Во-вторых, потому что вредные мутации в эволюции встречаются гораздо чаще, чем полезные. ^{[ 6 ]} Это делает вероятность потери функции гена со временем (т. е. псевдогенизации) гораздо большей, чем вероятность появления новой функции гена. ^{[ 8 ]} Уолш обнаружил, что относительная вероятность неофункционализации определяется селективным преимуществом и относительной частотой полезных мутаций. ^{[ 10 ]} Это было доказано им при выводе относительной вероятности неофункционализации и псевдогенизации, которая определяется выражением: ${\frac {\rho \,\!S-1}{1-e^{s}}}$ где ρ — отношение выгодной частоты мутаций к нулевой частоте мутаций, а S — популяционный отбор 4NeS (Ne: эффективный размер популяции, S: интенсивность отбора). ^{[ 10 ]}

Классическая модель

В 1936 году Мюллер первоначально предложил неофункционализацию как возможный результат дупликации генов. ^{[ 11 ]} В 1970 году Оно предположил, что неофункционализация была единственным эволюционным механизмом, который привел к возникновению новых функций генов в популяции. ^{[ 6 ]} Он также считал, что неофункционализация — единственная альтернатива псевдогенизации. ^{[ 2 ]} Охта (1987) был одним из первых, кто предположил, что могут существовать и другие механизмы сохранения дуплицированных генов в популяции. ^{[ 6 ]} Сегодня субфункционализация является широко распространенным альтернативным процессом фиксации дубликатов генов в популяции и в настоящее время является единственным возможным результатом функциональной дивергенции. ^{[ 2 ]}

Неосубфункционализация

Неосубфункционализация возникает, когда неофункционализация является конечным результатом субфункционализации . Другими словами, как только происходит событие дупликации гена, образующее паралоги, которые после эволюционного периода субфункциональны, одна копия гена продолжает это эволюционное путешествие и накапливает мутации, которые приводят к появлению новой функции. ^{[ 6 ]}^{[ 12 ]} Некоторые полагают, что неофункционализация — это конечная стадия для всех субфункционализированных генов. Например, по мнению Растоги и Либерлеса, «неофункционализация — это конечная судьба всех дублирующихся копий гена, сохраняющихся в геноме, а субфункционализация существует просто как переходное состояние для сохранения дублирующейся копии гена». ^{[ 2 ]} Результаты их исследования становятся все более точными по мере увеличения размера популяции.

Примеры

Эволюция белка-антифриза у антарктических зоарцид представляет собой Lycodichthys Dearborni яркий пример неофункционализации после дупликации генов. В случае антарктических зоарцидных рыб ген антифризного белка III типа (AFPIII; P12102 ) отличался от паралогичной копии гена синтазы сиаловой кислоты (SAS). ^{[ 13 ]} Было обнаружено, что предковый ген SAS обладает как синтазой сиаловой кислоты, так и рудиментарными функциями связывания льда. После дупликации одного из паралогов стали накапливаться мутации, приводящие к замене SAS-доменов гена, что позволяет осуществлять дальнейшее развитие и оптимизацию функциональности антифриза. ^{[ 13 ]} Новый ген теперь способен к неколлигативной депрессии точки замерзания и, таким образом, неофункционализируется. ^{[ 13 ]} Эта специализация позволяет антарктическим зоарцидным рыбам выживать при низких температурах антарктических морей.

Другой пример касается светочувствительных белков опсинов в глазах позвоночных , которые позволяют им видеть световые волны различной длины. Современные позвоночные обычно имеют четыре класса опсинов колбочек (LWS, SWS1, SWS2 и Rh2), а также один палочек класс опсинов ( родопсин , Rh1), все из которых были унаследованы от ранних предков позвоночных. Эти пять классов зрительных опсинов позвоночных возникли в результате серии дупликаций генов, начиная с LWS и заканчивая Rh1. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Ограничения модели

Ограничения существуют в неофункционализации как модели функциональной дивергенции главным образом потому, что:

количество нуклеотидных изменений, приводящих к возникновению новой функции, должно быть очень минимальным; что делает вероятность псевдогенизации намного выше, чем неофункционализации после события дупликации гена. ^{[ 6 ]}
После события дупликации гена обе копии могут быть подвергнуты селективному давлению, эквивалентному тому, которое ограничивает предковый ген; это означает, что ни одна копия недоступна для неофункционализации. ^{[ 6 ]}
Во многих случаях положительный дарвиновский отбор представляет собой более экономное объяснение дивергенции мультигенных семейств. ^{[ 6 ]}

См. также

Субфункциональность

Ссылки

^ Кляйнян Д.А., Банцевич Р.М., Готье П., Дам Р., Шонталер Х.Б., Даманте Г. и др. (февраль 2008 г.). «Субфункционализация дуплицированных генов pax6 рыбок данио за счет цис-регуляторной дивергенции» . ПЛОС Генетика . 4 (2): e2 дои : 10.1371/journal.pgen.0040029 . ПМК 2242813 . ПМИД 18282108 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Растоги С., Либерлес Д.А. (апрель 2005 г.). «Субфункционализация дуплицированных генов как переходное состояние к неофункционализации» . Эволюционная биология BMC . 5 (1): 28. дои : 10.1186/1471-2148-5-28 . ПМЦ 1112588 . ПМИД 15831095 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Конрад Б., Антонаракис С.Е. (2007). «Дупликация генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина болезней человека». Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 : 17–35. дои : 10.1146/annurev.genom.8.021307.110233 . ПМИД 17386002 .
^ Оно (1970). Эволюция путем дупликации генов . Нью-Йорк, Гейдельберг, Берлин: Springer-Verlag. стр. 59–87. ISBN 978-3-540-05225-8 .
^ Де Смет Р., Ван де Пер Ю (апрель 2012 г.). «Избыточность и перемонтирование генетических сетей после событий полногеномной дупликации». Современное мнение в области биологии растений . 15 (2): 168–76. дои : 10.1016/j.pbi.2012.01.003 . ПМИД 22305522 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Граур Д., Ли WH (2000). Основы молекулярной эволюции (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-266-5 .
^ Амуциас Г.Д., Хе Ю., Гордон Дж., Моссиалос Д., Оливер С.Г., Ван де Пер Ю. (февраль 2010 г.). «Посттрансляционная регуляция влияет на судьбу дуплицированных генов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (7): 2967–71. Бибкод : 2010PNAS..107.2967A . дои : 10.1073/pnas.0911603107 . ПМЦ 2840353 . ПМИД 20080574 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Иннан Х (сентябрь 2009 г.). «Популяционные генетические модели дуплицированных генов». Генетика . 137 (1): 19–37. дои : 10.1007/s10709-009-9355-1 . ПМИД 19266289 . S2CID 31795158 .
^ Хьюз А.Л. (1999). Адаптивная эволюция генов и геномов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511626-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Линч М., Force A (январь 2000 г.). «Вероятность сохранения дубликатов генов путем субфункционализации» . Генетика . 154 (1): 459–73. дои : 10.1093/генетика/154.1.459 . ПМЦ 1460895 . ПМИД 10629003 .
^ Мюллер HJ (май 1936 г.). «Дублирование бара». Наука . 83 (2161): 528–30. Бибкод : 1936Sci....83..528M . дои : 10.1126/science.83.2161.528-a . ПМИД 17806465 . S2CID 5426313 .
^ Хэ X, Чжан Дж (февраль 2005 г.). «Быстрая субфункционализация, сопровождающаяся длительной и существенной неофункционализацией в эволюции дублирующихся генов» . Генетика . 169 (2): 1157–64. doi : 10.1534/genetics.104.037051 . ПМЦ 1449125 . ПМИД 15654095 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дэн С, Ченг СН, Е Х, Хэ Х, Чен Л (декабрь 2010 г.). «Эволюция белка-антифриза путем неофункционализации при бегстве от адаптивного конфликта» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21593–8. Бибкод : 2010PNAS..10721593D . дои : 10.1073/pnas.1007883107 . ПМК 3003108 . ПМИД 21115821 .
^ Хант Д.М., Карвальо Л.С., Коуинг Дж.А., Дэвис В.Л. (октябрь 2009 г.). «Эволюция и спектральная настройка зрительных пигментов у птиц и млекопитающих» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1531): 2941–2955. дои : 10.1098/rstb.2009.0044 . ПМК 2781856 . ПМИД 19720655 .
^ Трезисе А.Е., Коллин С.П. (октябрь 2005 г.). «Опсины: эволюция в ожидании» . Современная биология . 15 (19): Р794–Р796. Бибкод : 2005CBio...15.R794T . дои : 10.1016/j.cub.2005.09.025 . ПМИД 16213808 .

[1] Кляйнян Д.А., Банцевич Р.М., Готье П., Дам Р., Шонталер Х.Б., Даманте Г. и др. (февраль 2008 г.). «Субфункционализация дуплицированных генов pax6 рыбок данио за счет цис-регуляторной дивергенции» . ПЛОС Генетика . 4 (2): e2 дои : 10.1371/journal.pgen.0040029 . ПМК 2242813 . ПМИД 18282108 .

[Liberles_2005-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Растоги С., Либерлес Д.А. (апрель 2005 г.). «Субфункционализация дуплицированных генов как переходное состояние к неофункционализации» . Эволюционная биология BMC . 5 (1): 28. дои : 10.1186/1471-2148-5-28 . ПМЦ 1112588 . ПМИД 15831095 .

[Antonarakis_2007-3] Перейти обратно: ^а ^б Конрад Б., Антонаракис С.Е. (2007). «Дупликация генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина болезней человека». Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 : 17–35. дои : 10.1146/annurev.genom.8.021307.110233 . ПМИД 17386002 .

[4] Оно (1970). Эволюция путем дупликации генов . Нью-Йорк, Гейдельберг, Берлин: Springer-Verlag. стр. 59–87. ISBN 978-3-540-05225-8 .

[De_Smet_2012-5] Де Смет Р., Ван де Пер Ю (апрель 2012 г.). «Избыточность и перемонтирование генетических сетей после событий полногеномной дупликации». Современное мнение в области биологии растений . 15 (2): 168–76. дои : 10.1016/j.pbi.2012.01.003 . ПМИД 22305522 .

[Graur_2000-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Граур Д., Ли WH (2000). Основы молекулярной эволюции (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-266-5 .

[pmid20080574-7] Амуциас Г.Д., Хе Ю., Гордон Дж., Моссиалос Д., Оливер С.Г., Ван де Пер Ю. (февраль 2010 г.). «Посттрансляционная регуляция влияет на судьбу дуплицированных генов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (7): 2967–71. Бибкод : 2010PNAS..107.2967A . дои : 10.1073/pnas.0911603107 . ПМЦ 2840353 . ПМИД 20080574 .

[Innan_2009-8] Перейти обратно: ^а ^б Иннан Х (сентябрь 2009 г.). «Популяционные генетические модели дуплицированных генов». Генетика . 137 (1): 19–37. дои : 10.1007/s10709-009-9355-1 . ПМИД 19266289 . S2CID 31795158 .

[9] Хьюз А.Л. (1999). Адаптивная эволюция генов и геномов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511626-7 .

[Lynch_2000-10] Перейти обратно: ^а ^б Линч М., Force A (январь 2000 г.). «Вероятность сохранения дубликатов генов путем субфункционализации» . Генетика . 154 (1): 459–73. дои : 10.1093/генетика/154.1.459 . ПМЦ 1460895 . ПМИД 10629003 .

[11] Мюллер HJ (май 1936 г.). «Дублирование бара». Наука . 83 (2161): 528–30. Бибкод : 1936Sci....83..528M . дои : 10.1126/science.83.2161.528-a . ПМИД 17806465 . S2CID 5426313 .

[He_2005-12] Хэ X, Чжан Дж (февраль 2005 г.). «Быстрая субфункционализация, сопровождающаяся длительной и существенной неофункционализацией в эволюции дублирующихся генов» . Генетика . 169 (2): 1157–64. doi : 10.1534/genetics.104.037051 . ПМЦ 1449125 . ПМИД 15654095 .

[Deng_2010-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дэн С, Ченг СН, Е Х, Хэ Х, Чен Л (декабрь 2010 г.). «Эволюция белка-антифриза путем неофункционализации при бегстве от адаптивного конфликта» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21593–8. Бибкод : 2010PNAS..10721593D . дои : 10.1073/pnas.1007883107 . ПМК 3003108 . ПМИД 21115821 .

[HuntCarvalho2009-14] Хант Д.М., Карвальо Л.С., Коуинг Дж.А., Дэвис В.Л. (октябрь 2009 г.). «Эволюция и спектральная настройка зрительных пигментов у птиц и млекопитающих» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1531): 2941–2955. дои : 10.1098/rstb.2009.0044 . ПМК 2781856 . ПМИД 19720655 .

[TreziseCollin2005-15] Трезисе А.Е., Коллин С.П. (октябрь 2005 г.). «Опсины: эволюция в ожидании» . Современная биология . 15 (19): Р794–Р796. Бибкод : 2005CBio...15.R794T . дои : 10.1016/j.cub.2005.09.025 . ПМИД 16213808 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]