Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с избыточностью кодонов .

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 многие наборы паралогичных генов. [1] Когда отдельный ген в таком наборе нарушен мутацией или целевым нокаутом , это может иметь небольшое влияние на фенотип в результате избыточности гена, тогда как эффект велик для нокаута гена только с одной копией. [2] Нокаут гена - это метод, используемый в некоторых исследованиях, направленных на характеристику функционального перекрытия эффектов поддержания и фитнеса. [3]

Классические модели поддержания предполагают, что дублированные гены могут в различной степени сохраняться в геномах из-за их способности компенсировать вредные мутации потери функции. [4] [5] Эти классические модели не учитывают потенциальное влияние положительного отбора. Помимо этих классических моделей, исследователи продолжают изучать механизмы, с помощью которых поддерживаются и развиваются избыточные гены. [6] [7] [8] Избыточность генов долгое время считалась источником возникновения новых генов; [8] то есть, новые гены могут возникать, когда существует избирательное давление на дубликат, в то время как исходный ген поддерживается для выполнения исходной функции, как предложено более новыми моделями [4] .

Рисунок 1. Общие механизмы дупликации генов.

Происхождение и эволюция избыточных генов [ править ]

Избыточность генов чаще всего является следствием дупликации генов . [9] Три наиболее распространенных механизма дупликации генов - это ретропозиция , неравный кроссинговер и негомологичная сегментарная дупликация. Ретропозиция - это когда транскрипт мРНК гена обратно транскрибируется обратно в ДНК и вставляется в геном в другом месте. При неравном кроссинговере гомологичныехромосомы обмениваются неровными 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 не останется копий гена. Негомологичные дупликации возникают в результате ошибок репликации, которые сдвигают 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 они накапливают изменения с течением времени, пока не начнут функционально расходиться. [11]

Многие исследования сосредоточены вокруг вопроса о том, как сохраняются повторяющиеся гены. [12] Три модели возникли, чтобы попытаться объяснить сохранение избыточных генов: адаптивное излучение, дивергенция и уход от адаптивного конфликта. Примечательно, что на сохранение после события дупликации влияет тип события дупликации и тип генного класса. То есть некоторые классы генов лучше подходят для дублирования после небольшого дублирования или дублирования всего генома. [13] Избыточные гены с большей вероятностью выживут, если они участвуют в сложных путях и являются продуктом дупликации всего генома или множественной дупликации. [13]

В настоящее время принятые результаты для дубликатов одного гена включают: потерю гена (нефункционализацию), функциональную дивергенцию и сохранение для повышения генетической устойчивости. [11] В противном случае мультигенные семьи могут претерпеть согласованную эволюцию или эволюцию рождения и смерти. [11] Согласованная эволюция - это идея, что гены в группе, такой как семейство генов, развиваются параллельно. [11] Концепция эволюции при рождении и смерти заключается в том, что семейство генов подвергается сильному очищающему отбору. [11]

Функциональная дивергенция [ править ]

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 поддерживает варианты, в гене могут накапливаться мутации, которые изменяют общую функцию. [14] Однако многие избыточные гены могут расходиться, но сохранять исходную функцию с помощью таких механизмов, как субфункционализация, которая сохраняет исходную функцию гена, хотя и за счет дополнительного действия дубликатов. [13] [12] Три механизма функциональной дивергенции в генах - это нефункционализация (или потеря генов), неофункционализация и субфункционализация.[11]

Во время нефункционализации или дегенерации / потери гена одна копия дублированного гена приобретает мутации, которые делают его неактивным или молчаливым . Нефункциональность часто является результатом дупликации одного гена. [11] В настоящее время ген не имеет функции и называется псевдогеном.. Псевдогены со временем могут быть потеряны 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 только частично; две из этих частичных копий затем действуют как одна нормальная копия исходного гена. На рисунке 2 справа представлена ​​визуализация этой концепции.

Переносные элементы [ править ]

Сменные элементы играют различные роли в функциональной дифференциации. Реализуя рекомбинацию, мобильные элементы могут перемещать избыточные последовательности в геноме. [15] Это изменение в структуре и расположении последовательностей является источником функционального расхождения. [15] Мобильные элементы потенциально влияют на экспрессию генов, учитывая, что они содержат значительное количество микро-РНК. [15]

Гипотезы сохранения генов [ править ]

Эволюция и происхождение повторяющихся генов остаются неизвестными, в основном потому, что эволюция происходит в течение такого длительного периода времени. Теоретически ген не может сохраняться без мутации, если на него не действует избирательное давление. Избыточность гена, таким образом, 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 псевдогеном и в конечном итоге будут потеряны. Ученые выдвинули две гипотезы относительно того, почему избыточные гены могут оставаться в геноме: гипотеза резервного копирования и гипотеза совмещения. [16]

Гипотеза резервного копирования предполагает, что избыточные гены остаются в геноме как своего рода «резервный план». Если исходный ген теряет свою функцию, избыточный ген должен взять на себя и сохранить клетку в живых. Гипотеза совмещения утверждает, что два паралога в геноме имеют некоторую неперекрывающуюся функцию, а также дублирующую функцию. В этом случае избыточная часть гена остается в геноме из-за близости к области, которая кодирует уникальную функцию. [17]Причина, по которой избыточные гены остаются в геноме, является постоянным вопросом, а избыточность генов изучается исследователями повсюду. Помимо резервной и комбинированной моделей существует множество гипотез. Например, в Мичиганском университете исследование предлагает теорию о том, что избыточные гены поддерживаются в геноме за счет снижения экспрессии.

Исследование [ править ]

Генные семьи и филогения [ править ]

Исследователи часто используют историю повторяющихся генов в виде семейств генов, чтобы узнать о филогении вида. Требуется время, чтобы избыточные гены подверглись функциональной диверсификации; степень диверсификации между ортологами говорит нам о том, насколько тесно связаны эти два генома. События дублирования 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 в результате дублирования. Количество повторяющихся генов у видов позволяет исследователям определить, когда имели место события дублирования и насколько близки виды.

Обнаружение и характеристика избыточных генов [ править ]

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 микроматрицы для сравнения структур геномов с целью выявления избыточности. [18] Такие методы, как создание синтенических выравниваний и анализ ортологичных регионов, используются для сравнения нескольких геномов. Одиночные геномы можно сканировать на наличие повторяющихся генов, используя исчерпывающие попарные сравнения. [18] Перед тем, как приступить к более трудоемкому анализу избыточных генов, исследователи обычно проверяют функциональность, сравнивая длину открытой рамки считывания и частоту молчащих и немыхающих мутаций. [18] Начиная с проекта "Геном человека"По завершении исследования исследователи смогут гораздо проще аннотировать геном человека. Используя онлайн-базы данных, такие как Genome Browser в UCSC, исследователи могут искать гомологию в последовательности интересующего их гена.

Гены предрасположенности к раку груди [ править ]

Было обнаружено, что способ дублирования, при котором возникает избыточность, влияет на классификации генов предрасположенности к раку груди. [19] Грубые дупликации усложняют клиническую интерпретацию, потому что трудно определить, происходят ли они одновременно. Последние методы, такие как анализ точки разрыва ДНК, использовались для определения тандемного статуса. [19] В свою очередь, эти тандемные грубые дупликации можно более точно проверить на патогенный статус. [19] Это исследование имеет важное значение для оценки риска рака груди. [19]

Устойчивость к патогенам злаков Triticeae [ править ]

Исследователи также определили избыточные гены, которые обеспечивают селективное преимущество на уровне организма. Было обнаружено, что частичный ген ARM1, избыточный ген, являющийся результатом частичной дупликации, придает устойчивость к Blumeria graminis, грибку плесени. [20] Этот ген существует у представителей трибы Triticeae, включая пшеницу, рожь и ячмень. [20]

Избыточные гены человека [ править ]

Обонятельные рецепторы [ править ]

Семейство генов обонятельных рецепторов человека (OR) содержит 339 интактных генов и 297 псевдогенов. Эти гены находятся в разных местах по всему геному, но только около 13% находятся на разных хромосомах или в удаленных локусах. У человека обнаружено 172 подсемейства OR генов, каждое в своем собственном локусе. Поскольку гены в каждом из этих подсемейств структурно и функционально подобны и находятся в непосредственной близости друг от друга, предполагается, что каждый из них произошел от отдельных генов, подвергающихся событиям 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, которые демонстрируют эволюцию генов обонятельных рецепторов. Было обнаружено, что одна конкретная семья, которая участвует в начальном событии восприятия запаха, является очень консервативной на протяжении всей эволюции позвоночных. [21]

Болезнь [ править ]

Часто считается, что события дублирования и избыточные гены играют роль в некоторых заболеваниях человека. События крупномасштабной дупликации всего генома, которые произошли на ранних этапах эволюции позвоночных, могут быть причиной того, что гены моногенных заболеваний человека часто содержат большое количество повторяющихся генов. Chen et al. предполагает, что функционально избыточные паралоги в генах моногенных заболеваний человека маскируют эффекты доминантных вредных мутаций, тем самым сохраняя ген болезни в геноме человека. [22]

Дупликации всего генома могут быть основной причиной сохранения некоторых генов, вызывающих опухоль, в геноме человека. [23] Например, Strout et al. [24] показали, что события тандемной дупликации, вероятно, через гомологичную рекомбинацию, связаны с острым миелоидным лейкозом . Частичная дупликация гена ALL1 ( MLL ) - это генетический дефект, обнаруженный у пациентов с острым миелоидным лейкозом.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Конрад, Бернард; Антонаракис, Стилианос Э. (сентябрь 2007 г.). «Дублирование генов: движущая сила фенотипического разнообразия и причина болезней человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 (1): 17–35. DOI : 10.1146 / annurev.genom.8.021307.110233 . ISSN  1527-8204 .
  2. Перейти ↑ Pérez-Pérez JM, Candela H, Micol JL (август 2009 г.). «Понимание синергии в генетических взаимодействиях». Тенденции Genet . 25 (8): 368–76. DOI : 10.1016 / j.tig.2009.06.004 . PMID 19665253 . 
  3. ^ Перес-Перес, Хосе Мануэль; Кандела, Эктор; Миколь, Хосе Луис (1 августа 2009 г.). «Понимание синергии в генетических взаимодействиях» . Тенденции в генетике . 25 (8): 368–376. DOI : 10.1016 / j.tig.2009.06.004 . ISSN 0168-9525 . PMID 19665253 .  
  4. ^ a b Новак М.А., Бурлийст М.С., 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%63AF_genetic_redundancy_Nature97.
  5. ^ Martienssen, Роб; Ирландка, Вивиан (1999-11-01). «Копирование нашей азбуки: роль избыточности генов в интерпретации генетических иерархий» . Тенденции в генетике . 15 (11): 435–437. DOI : 10.1016 / S0168-9525 (99) 01833-8 . ISSN 0168-9525 . PMID 10529802 .  
  6. ^ Конрад, Бернард; Антонаракис, Стилианос Э. (сентябрь 2007 г.). «Дублирование генов: движущая сила фенотипического разнообразия и причина болезней человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 (1): 17–35. DOI : 10.1146 / annurev.genom.8.021307.110233 . ISSN 1527-8204 . 
  7. ^ Force A et al. 1999. Сохранение повторяющихся генов посредством дополнительных дегенеративных мутаций. Генетика. 151: 1531–1545.
  8. ^ a b Long M, Ванкурен Н.В., Чен С., Вибрановски М.Д. 2013. Эволюция новых генов: мы мало что знали. Анну. Преподобный Жене. 47: 307–333. DOI: 10.1146 / annurev-genet-111212-133301.
  9. ^ Вагнер, Андреас (1996-06-01). «Генетическая избыточность, вызванная дупликациями генов и ее эволюция в сетях регуляторов транскрипции» . Биологическая кибернетика . 74 (6): 557–567. DOI : 10.1007 / BF00209427 . ISSN 1432-0770 . 
  10. ^ Hurles, Мэтью (2004-07-13). "Дублирование генов: торговля запасными частями генома" . PLOS Биология . 2 (7): e206. DOI : 10.1371 / journal.pbio.0020206 . ISSN 1545-7885 . PMC 449868 . PMID 15252449 .   
  11. ^ a b c d e f g Конрад, Бернар; Антонаракис, Стилианос Э. (сентябрь 2007 г.). «Дублирование генов: движущая сила фенотипического разнообразия и причина болезней человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 (1): 17–35. DOI : 10.1146 / annurev.genom.8.021307.110233 . ISSN 1527-8204 . 
  12. ^ a b c Лонг М., Ванкурен Н.В., Чен С., Вибрановски М.Д. 2013. Эволюция новых генов: мы мало что знали. Анну. Преподобный Жене. 47: 307–333. DOI: 10.1146 / annurev-genet-111212-133301.
  13. ^ a b c "ResearchGate" . ResearchGate . DOI : 10.1038 / nrg2482 . Проверено 8 октября 2020 .
  14. ^ Force A et al. 1999. Сохранение повторяющихся генов посредством дополнительных дегенеративных мутаций. Генетика. 151: 1531–1545.
  15. ^ a b c 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. DOI : 10.1007 / s10577-017-9570-Z . ISSN 0967-3849 . 
  16. ^ Чжан, Цзяньчжи (2012). «Генетические избыточности и их эволюционное поддержание». Достижения эволюционной системной биологии в экспериментальной медицине и биологии . Успехи экспериментальной медицины и биологии. 751 : 279–300. DOI : 10.1007 / 978-1-4614-3567-9_13 . ISBN 978-1-4614-3566-2. PMID  22821463 .
  17. ^ Цянь, Вэньфэн; Ляо, Бен-Ян; Чанг, Эндрю Ю.-Ф .; Чжан, Цзяньчжи (01.10.2010). «Поддержание повторяющихся генов и их функциональная избыточность за счет снижения экспрессии» . Тенденции в генетике . 26 (10): 425–430. DOI : 10.1016 / j.tig.2010.07.002 . ISSN 0168-9525 . PMC 2942974 . PMID 20708291 .   
  18. ^ a b c Лонг М., Ванкурен Н.В., Чен С., Вибрановски М.Д. 2013. Эволюция новых генов: мы мало что знали. Анну. Преподобный Жене. 47: 307–333. DOI: 10.1146 / annurev-genet-111212-133301.
  19. ^ a b c d Ричардсон, Марси Э .; Чонг, Хансук; Му, Венбо; Коннер, Блэр Р .; Сюань, Викки; Уиллетт, Сара; Лам, Стефани; Цай, Пей; Песаран, Тина; Чемберлин, Адам С .; Парк, Мин-вс (28.07.2018). «Анализ точки разрыва ДНК показывает, что большинство грубых дупликаций происходит в тандеме, что снижает классификацию VUS в генах предрасположенности к раку груди» . Генетика в медицине . 21 (3): 683–693. DOI : 10.1038 / s41436-018-0092-7 . ISSN 1098-3600 . 
  20. ^ а б Раджараман, Джейараман; Доучков, Димитар; Люк, Стефани; Хензель, Гётц; Новара, Даниэла; Погода, Мария; Руттен, Тван; Мейтцель, Тобиас; Брассак, Джонатан; Хёфле, Кэролайн; Хюккельховен, Ральф (2018-08-15). «Эволюционно консервативная частичная дупликация генов в трибе злаковых Triticeae придает устойчивость к патогенам» . Геномная биология . 19 (1). DOI : 10.1186 / s13059-018-1472-7 . ISSN 1474-760X . 
  21. ^ 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. Bibcode : 2004PNAS..101.2584M . DOI : 10.1073 / pnas.0307882100 . ISSN 0027-8424 . PMC 356993 . PMID 14983052 .   
  22. ^ Чен, Вэй-Хуа; Чжао, Син-Мин; ван Ноорт, Вера; Борк, Пер (2013-05-01). «Гены моногенных заболеваний человека часто имеют функционально избыточные паралоги» . PLOS Вычислительная биология . 9 (5): e1003073. Bibcode : 2013PLSCB ... 9E3073C . DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1003073 . ISSN 1553-734X . PMC 3656685 . PMID 23696728 .   
  23. ^ Малагути, Джулия; Сингх, Парам Прия; Исамберт, Эрве (2014-05-01). «О сохранении дубликатов генов, склонных к доминантным вредным мутациям» . Теоретическая популяционная биология . 93 : 38–51. DOI : 10.1016 / j.tpb.2014.01.004 . ISSN 1096-0325 . PMID 24530892 .  
  24. ^ Строут, Мэтью П .; Маркучи, Гвидо; Блумфилд, Клара Д .; Калиджури, Майкл А. (1998-03-03). «Частичная тандемная дупликация ALL1 (MLL) последовательно генерируется Alu-опосредованной гомологичной рекомбинацией при остром миелоидном лейкозе» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (5): 2390–2395. Bibcode : 1998PNAS ... 95.2390S . DOI : 10.1073 / pnas.95.5.2390 . ISSN 0027-8424 . PMC 19353 . PMID 9482895 .   

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Ленер Б (2007). «Моделирование генотип-фенотипических отношений и болезней человека с помощью сетей генетического взаимодействия» . J Exp Biol . 210 (9): 1559–66. DOI : 10,1242 / jeb.002311 . PMID  17449820 .
  • Учебный центр генетики. «Гомеотические гены и паттерны 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 дублирования генов, суб / неофункционализации и избыточности . [1] » Молекулярная генетика и геномика (2015): 14 стр. Scopus®.
  • Новак Ма, Бурлийст Мак, Кук Дж., Смит Дж. « Эволюция генетической избыточности» . Nature 388 , 167-171. (10 июля 1997 г.).
  1. ↑ Го, Хай-Сун; Чжан, Ян-Мэй; Сунь, Сяо-Цинь; Ли, Ми-Ми; Ханг, Юэ-Ю; Сюэ, Цзя-Ю (2015-11-12). «Эволюция семейства генов KCS у растений: история дупликации генов, суб / неофункционализации и избыточности». Молекулярная генетика и геномика . 291 (2): 739–752. DOI : 10.1007 / s00438-015-1142-3 . ISSN 1617-4615 . PMID 26563433 .