Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Филогенетическое дерево семейства генов Mup

Семейство генов представляет собой набор из нескольких аналогичных генов, образованных дублированием одного оригинального гена , и в целом с аналогичными биохимическими функциями. Одним из таких семейств являются гены субъединиц гемоглобина человека ; десять генов находятся в двух кластерах на разных хромосомах, которые называются локусами α-глобина и β-глобина . Считается, что эти два кластера генов возникли в результате дублирования гена-предшественника примерно 500 миллионов лет назад. [1]

Гены делятся на семейства на основе общих нуклеотидных или белковых последовательностей. Филогенетические методы можно использовать в качестве более строгого теста. Положения экзонов в кодирующей последовательности можно использовать для определения общего происхождения. Знание последовательности белка, кодируемого геном, может позволить исследователям применять методы, которые находят сходства между последовательностями белков, которые предоставляют больше информации, чем сходства или различия между последовательностями ДНК .

Если гены семейства генов кодируют белки, термин семейство белков часто используется аналогично семейству генов .

Расширение или сокращение семейств генов по определенной линии может происходить случайно или может быть результатом естественного отбора. [2] На практике часто бывает сложно провести различие между этими двумя случаями. Недавняя работа использует комбинацию статистических моделей и алгоритмических методов для обнаружения семейств генов, которые находятся под действием естественного отбора. [3]

Гена Номенклатура комитет ХЬЮГО (HGNC) создает схемы номенклатуры , используя «стебель» (или «корень») символ для членов семейства генов (по гомологии или функцией), с иерархической системой нумерации , чтобы различать отдельные элементы. [4] [5] Например, для пероксиредоксинов семьи, PRDX является символом корень, и члены семьи PRDX1 , PRDX2 , PRDX3 , PRDX4 , PRDX5 и PRDX6 .

Базовая структура [ править ]

Филогения генов как линии филогении серых видов. Вверху: дупликация предкового гена дает два паралога ( гистон H1.1 и 1.2 ). Событие видообразования приводит к появлению ортологов у двух дочерних видов (человека и шимпанзе). Внизу: у отдельного вида ( E. coli ) ген выполняет аналогичную функцию ( гистоноподобный белок, структурирующий нуклеоид ), но имеет отдельное эволюционное происхождение и является аналогом .

Один уровень организации генома - это объединение генов в несколько семейств генов. [6] [7] Генные семейства - это группы родственных генов, имеющих общего предка. Члены генных семейств могут быть паралогами или ортологами. Генные паралоги - это гены со схожими последовательностями внутри одного и того же вида, в то время как ортологи генов - это гены со сходными последовательностями у разных видов. Семейства генов сильно различаются по размеру, разнообразию последовательностей и расположению. В зависимости от разнообразия и функций генов в семье, семьи можно классифицировать как мультигенные семьи или суперсемейства. [6] [8]

Мультигенные семейства обычно состоят из членов со сходными последовательностями и функциями, хотя высокая степень дивергенции (на уровне последовательности и / или функциональном уровне) не приводит к удалению гена из генного семейства. Отдельные гены в семье могут быть расположены близко друг к другу на одной хромосоме или рассредоточены по геному на разных хромосомах. Из-за сходства их последовательностей и их перекрывающихся функций отдельные гены в семействе часто имеют общие элементы регуляторного контроля. [6] [8]В некоторых случаях члены гена имеют идентичные (или почти идентичные) последовательности. Такие семейства позволяют при необходимости экспрессировать огромное количество генного продукта за короткое время. Другие семейства позволяют экспрессировать похожие, но специфические продукты в разных типах клеток или на разных стадиях развития организмов. [6]

Надсемейства намного больше, чем одиночные мультигенные семейства. Суперсемейства содержат до сотен генов, включая несколько мультигенных семейств, а также отдельные отдельные гены. Большое количество членов позволяет надсемействам быть широко рассредоточенными, при этом некоторые гены сгруппированы, а некоторые - далеко друг от друга. Гены разнообразны по последовательности и функциям, демонстрируя различные уровни экспрессии и отдельные регуляторы. [6] [8]

Некоторые семейства генов также содержат псевдогены , последовательности ДНК, которые очень похожи на установленные последовательности генов, но не являются функциональными. [9] Существуют разные типы псевдогенов. Непроцессированные псевдогены - это гены, которые приобрели мутации, которые со временем перестали работать. Обработанные псевдогены - это гены, утратившие свою функцию после перемещения по геному путем ретротранспозиции. [8] [9] Псевдогены, которые были выделены из семейства генов, из которого они произошли, называются сиротами . [6]

Формирование [ править ]

Семейства генов возникли в результате множественных дупликаций наследственного гена, за которыми последовали мутации и дивергенция. [6] Дупликации могут происходить внутри линии (например, у человека могут быть две копии гена, который встречается только один раз у шимпанзе), или они являются результатом видообразования. Например, один ген у предка человека и шимпанзе теперь встречается у обоих видов, и его можно рассматривать как «дублированный» посредством видообразования. В результате дупликации путем видообразования семейство генов может включать 15 генов, по одной копии у каждого из 15 различных видов.

Дублирование [ править ]

При формировании семейств генов существует четыре уровня дупликации: 1) дупликация и перетасовка экзонов , 2) дупликация всего гена , 3) дупликация многогенного семейства и 4) дупликация всего генома . Дублирование и перетасовка экзонов приводит к изменению и появлению новых генов. Затем гены дублируются, чтобы сформировать мультигенные семейства, которые дублируются, чтобы сформировать суперсемейства, охватывающие несколько хромосом. Дублирование всего генома удваивает количество копий каждого гена и семейства генов. [6] Дупликация или полиплоидизация всего генома.может быть автополиплоидизацией или аллоплоидизацией. Автополиплоидизация - это дупликация одного и того же генома, а аллополиплоидизация - это дупликация двух близкородственных геномов или гибридизованных геномов разных видов. [8]

Дупликация происходит в основном из-за неравномерного кроссинговера в мейозе половых клеток. (1,2) Когда две хромосомы не совмещены, кроссинговер - обмен генными аллелями - приводит к тому, что в одной хромосоме увеличивается или увеличивается количество генов, а в другой сокращается или уменьшается количество генов. Расширение кластера генов - это дупликация генов, которая приводит к увеличению семейств генов. [6] [8]

Переезд [ править ]

Члены генов мультигенного семейства или мультигенных семейств в суперсемействах существуют на разных хромосомах из-за перемещения этих генов после дупликации предкового гена. Мобильные элементы играют роль в движении генов. Переносные элементы распознаются перевернутыми повторами на концах 5 'и 3'. Когда два мобильных элемента находятся достаточно близко в одной и той же области хромосомы, они могут образовывать составной транспозон. Протеиновая транспозаза распознает крайние инвертированные повторы, разрезая сегмент ДНК. Любые гены между двумя мобильными элементами перемещаются, когда составной транспозон переходит в новую область генома. [6]

Обратная транскрипция - еще один метод перемещения генов. Транскрипт мРНК гена подвергается обратной транскрипции или копируется обратно в ДНК. Эта новая ДНК-копия мРНК интегрируется в другую часть генома, в результате чего члены семейства генов рассредоточиваются. [8]

Особый тип мультигенного семейства вовлечен в движение семейств генов и членов семейств генов. ЛИНИЯ ( L Ong В terspersed Е lements) и СИНУСА ( S Hort В terspersed Еlements) - это очень повторяющиеся последовательности ДНК, разбросанные по всему геному. LINE содержат последовательность, кодирующую белок обратной транскриптазы. Этот белок помогает копировать РНК-транскрипты LINE и SINE обратно в ДНК и интегрирует их в различные области генома. Это поддерживает рост семейств LINE и SINE. Из-за очень повторяющейся природы этих элементов, LINE и SINE, когда они расположены близко друг к другу, также запускают события неравного кроссинговера, которые приводят к дупликациям одного гена и формированию семейств генов. [6] [8]

Дивергенция [ править ]

Несинонимичные мутации, приводящие к замене аминокислот, увеличению дубликатов копий генов. Дупликация приводит к появлению нескольких копий одного и того же гена, обеспечивая уровень избыточности, при котором мутации допустимы. С одной функционирующей копией гена другие копии могут приобретать мутации, не причиняя при этом особого вреда организмам. Мутации позволяют дублированным генам приобретать новые или другие функции. [8]

Согласованная эволюция [ править ]

Некоторые мультигенные семейства чрезвычайно однородны, причем отдельные гены-члены имеют идентичные или почти идентичные последовательности. Процесс, с помощью которого семейства генов поддерживают высокую однородность, - это согласованная эволюция . Согласованная эволюция происходит через повторяющиеся циклы неравных событий кроссинговера и повторяющиеся циклы переноса и преобразования генов. Неравный кроссинговер приводит к расширению и сокращению семейств генов. Семейства генов имеют оптимальный диапазон размеров, в соответствии с которым действует естественный отбор. Сокращение удаляет расходящиеся копии генов и не дает семействам генов становиться слишком большими. Расширение заменяет утраченные копии генов и предотвращает уменьшение размеров семейств генов. Повторяющиеся циклы переноса и преобразования генов все чаще делают членов семейства генов более похожими. [6]

В процессе переноса гена конверсия аллельного гена смещена. Распространение мутантных аллелей в семействе генов в сторону гомогенности - это тот же процесс, что и преимущественное распространение аллелей в популяции в сторону фиксации. Преобразование генов также помогает в некоторых случаях создавать генетические вариации. [10]

Эволюция [ править ]

Семейства генов, часть иерархии хранения информации в геноме, играют большую роль в эволюции и разнообразии многоклеточных организмов. Семейства генов - это большие единицы информации и генетической изменчивости. [6]В течение эволюционного периода семейства генов расширялись и сокращались, при этом формировались новые семейства генов, а некоторые семейства генов были потеряны. В нескольких эволюционных линиях гены приобретаются и теряются с относительно одинаковой скоростью. Адаптивное расширение семейств генов происходит тогда, когда естественный отбор благоприятствует дополнительным копиям генов. Это тот случай, когда на вид действует фактор окружающей среды. Амплификация генов чаще встречается у бактерий и является обратимым процессом. Адаптивное сокращение семейств генов обычно происходит в результате накопления мутаций потери функции. Бессмысленная мутация, которая преждевременно останавливает транскрипцию гена, фиксируется в популяции, что приводит к потере генов. Этот процесс происходит, когда изменения в окружающей среде делают ген излишним. [7]

Новые генные семейства происходят от генов-сирот (изолированных псевдогенов). Эти изолированные гены возникают по-разному. Дубликат гена накапливает достаточно мутаций, чтобы быть достаточно дивергентным, чтобы его больше нельзя было распознавать как часть исходного семейства генов, горизонтального переноса новых генов в геном или возникновения нового гена de novo из некодирующих последовательностей. Затем эти сиротские гены пройдут через процессы дупликации, перемещения и дивергенции, чтобы сформировать семью. Смерть семейства генов происходит, когда потеря гена приводит к потере всего семейства генов. Непрерывная потеря генов в конечном итоге приводит к исчезновению семейства генов. Потеря генов может быть удалением генов или полной потерей функции, становясь псевдогенами. [7]

Функциональное семейство [ править ]

В дополнение к классификации по эволюции (структурное семейство генов), HGNC также создает «генные семейства» по функциям в их номенклатуре ствола. [11] Таким образом, стебель может также относиться к генам, выполняющим ту же функцию, часто являющимся частью одного и того же белкового комплекса . Например, BRCA1 и BRCA2 - неродственные гены, названные в честь их роли в развитии рака груди, а RPS2 и RPS3 - неродственные рибосомные белки, обнаруженные в одной и той же небольшой субъединице.

HGNC также поддерживает классификацию «группы генов» (ранее «семейство генов»). Ген может быть членом нескольких групп, и все группы образуют иерархию. Как и в случае основной классификации, существуют как структурные, так и функциональные группы. [4] [5]

См. Также [ править ]

  • Список семейств генов
  • Семейство белков

Ссылки [ править ]

  1. ^ Nussbaum, Роберт L .; Макиннес, Родерик Р .; Уиллард, Иксийск Хантингтон Ф. (2016). Томпсон и Томпсон Генетика в медицине (8-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир. п. 25. ISBN 978-1-4377-0696-3.
  2. ^ Хартл, DL и Кларк А.Г. 2007. Принципы популяционной генетики. Глава 7, стр. 372.
  3. ^ Демут, Джеффри П .; Би, Тиджл Де; Stajich, Jason E .; Кристианини, Нелло; Хан, Мэтью У .; Боревиц, Джастин (20 декабря 2006 г.). «Эволюция генных семейств млекопитающих» . PLOS ONE . 1 (1): e85. Bibcode : 2006PLoSO ... 1 ... 85D . DOI : 10.1371 / journal.pone.0000085 . PMC 1762380 . PMID 17183716 .  
  4. ^ а б Догерти, LC; Уплотнение, RL; Райт, МВт; Бруфорд, EA (5 июля 2012 г.). «Генная семья имеет значение: расширение ресурса HGNC» . Геномика человека . 6 (1): 4. DOI : 10,1186 / 1479-7364-6-4 . PMC 3437568 . PMID 23245209 .  
  5. ^ а б HGNC . «Помощь генной группы» . Проверено 13 октября 2020 .
  6. ^ a b c d e f g h i j k l m Hartwell, Leland H .; и другие. (2011). Генетика: от генов к геномам (4-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0073525266.
  7. ^ a b c Демут, JP; Хан, МВт (январь 2009 г.). «Жизнь и смерть генных семей». BioEssays . 31 (1): 29–39. DOI : 10.1002 / bies.080085 . PMID 19153999 . S2CID 9528185 .  
  8. ^ a b c d e f g h i Охта, Томока (2008). «Генные семьи: мультигенные семьи и суперсемейства». eLS . DOI : 10.1038 / npg.els.0005126 . ISBN 978-0470015902.
  9. ^ а б Нуссбаум, Роберт Л; и другие. (2015). Генетика в медицине (8-е изд.). Филадельфия: Эльзевьер. ISBN 9781437706963.
  10. ↑ Ohta, T (30 сентября 2010 г.). «Конверсия генов и эволюция семейств генов: обзор» . Гены . 1 (3): 349–56. DOI : 10,3390 / genes1030349 . PMC 3966226 . PMID 24710091 .  
  11. ^ "Что такое стержневой символ?" . HGNC FAQ .