Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Неофункционализация - это процесс, при котором ген приобретает новую функцию после события дублирования гена. На рисунке показано, что после того, как произошло событие дупликации гена, одна копия гена сохраняет исходную наследственную функцию (представленная зеленым паралогом), в то время как другая приобретает мутации, которые позволяют ей расходиться и развивать новую функцию (представленная синим паралогом).

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 адаптивный процесс мутации; 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, в то время как другой накапливает молекулярные изменения, так что со временем он может выполнять другую задачу. [4] Считается, что этот процесс свободен от давления отбора, потому что одна копия гена может мутировать, не влияя отрицательно на приспособленность организма, поскольку наследственная функция сохраняется в другой копии. [5] [6] [7] [8]

Процесс [ править ]

Процесс неофункционализации начинается с события дублирования гена , которое, как полагают, происходит как механизм защиты от накопления вредных мутаций. [6] [8] [9] После дублирования гена появляются две идентичные копии предкового гена, выполняющие точно такую ​​же функцию. Эта избыточность позволяет одной копии выполнять новую функцию. В том случае, если новая функция выгодна, естественный отбор положительно выбирает ее, и новая мутация закрепляется в популяции. [3] [10] Возникновение неофункционализации чаще всего можно объяснить изменениями в кодирующей области или изменениями в регуляторных элементах гена. [8]Гораздо реже можно увидеть серьезные изменения функции белка, такие как структура субъединицы или сродство к субстрату и лиганду, в результате неофункционализации. [8]

Избирательные ограничения [ править ]

Неофункционализацию также обычно называют «мутацией во время нефункциональности» или «мутацией во время избыточности». [11] 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 естественным отбором. [8] Считается, что этот процесс в эволюции происходит очень редко по двум основным причинам. Первая причина заключается в том, что функциональные изменения обычно требуют замены большого количества аминокислот; который имеет низкую вероятность возникновения. Во-вторых, потому что вредные мутации происходят в эволюции гораздо чаще, чем полезные. [8]Это делает вероятность того, что функция гена будет потеряна с течением времени (т.е. псевдогенизация), намного выше, чем вероятность появления новой функции гена. [10] Уолш обнаружил, что относительная вероятность неофункционализации определяется избирательным преимуществом и относительной частотой полезных мутаций. [12] Это было доказано им при выводе относительной вероятности неофункционализации к псевдогенизации, которая выражается следующим образом: где ρ - отношение полезной скорости мутации к скорости нулевой мутации, а S - популяционный отбор 4NeS (Ne: эффективный размер популяции S : интенсивность отбора). [12]

Классическая модель [ править ]

В 1936 году Мюллер первоначально предложил неофункционализацию как возможный результат дупликации гена. [13] В 1970 году Оно предположил, что неофункционализация была единственным эволюционным механизмом, который дал начало новым функциям генов в популяции. [8] Он также считал, что неофункционализация была единственной альтернативой псевдогенизации. [2] Охта (1987) был одним из первых, кто предположил, что могут существовать другие механизмы для сохранения дублированных генов в популяции. [8] Сегодня субфункционализация - это широко признанный альтернативный процесс фиксации дубликатов генов в популяции, и в настоящее время это единственный возможный результат функциональной дивергенции. [2]

Неосубфункционализация [ править ]

Неосубфункциональность происходит, когда неофункционализация является конечным результатом субфункционализации . Другими словами, как только происходит событие дупликации гена с образованием парологов, которые после эволюционного периода субфункциональны, одна копия гена продолжает этот эволюционный путь и накапливает мутации, которые приводят к новой функции. [8] [14] Некоторые считают, что неофункционализация является конечной стадией для всех субфункциональных генов. Например, согласно Растоги и Либерлесу «Неофункционализация - это конечная судьба всех дублированных копий гена, сохраняемых в геноме, а субфункционализация существует просто как временное состояние, чтобы сохранить дублированную копию гена». [2] Результаты их исследования становятся более заметными по мере увеличения численности населения.

Примеры [ править ]

Эволюция антифриза у антарктической зоарцидной рыбы L. dearborni является ярким примером неофункционализации после дупликации генов. В случае антарктической зоарцидной рыбы ген антифриза типа III (AFPIII; P12102 ) отличается от паралогичной копии гена синтазы сиаловой кислоты (SAS). [15] Было обнаружено, что предковый ген SAS обладает как синтазой сиаловой кислоты, так и рудиментарными функциями связывания со льдом. После дупликации в одном из паралогов начали накапливаться мутации, приводящие к замене SAS-доменов гена, что позволяло дальнейшее развитие и оптимизацию антифриза. [15]Новый ген теперь способен вызывать неколлигативную депрессию точки замерзания и, таким образом, неофункционализирован. [15] Эта специализация позволяет антарктическим зоарцидным рыбам выживать при низких температурах антарктических морей.

Ограничения модели [ править ]

Ограничения существуют в Неофункционализации как модели функциональной дивергенции прежде всего потому, что:

  1. количество нуклеотидных изменений, вызывающих новую функцию, должно быть очень минимальным; что делает вероятность псевдогенизации намного выше, чем неофункционализацию после события дупликации гена. [8]
  2. После события дупликации гена обе копии могут быть подвергнуты селективному давлению, эквивалентному давлению, ограничивающему наследственный ген; Это означает, что ни одна копия не доступна для Неофункционализации. [8]
  3. Во многих случаях положительный дарвиновский отбор дает более экономное объяснение дивергенции мультигенных семейств. [8]

См. Также [ править ]

  • Субфункционализация

Ссылки [ править ]

  1. ^ Kleinjan, Дирк A .; Bancewicz, Ruth M .; Готье, Филипп; Дам, Ральф; Schonthaler, Helia B .; Даманте, Джузеппе; Сиврайт, Энн; Хевер, Энн М .; Yeyati, Patricia L .; ван Хейнинген, Вероника; Коутиньо, Педро (1 января 2008 г.). «Субфункционализация дублированных генов pax6 рыбок данио цис-регуляторной дивергенцией» . PLoS Genetics . 4 (2): e29. DOI : 10.1371 / journal.pgen.0040029 . PMC  2242813 . PMID  18282108 .
  2. ^ a b c d Растоги, С .; Liberles, DA (2005). «Субфункциональность дублированных генов как переходное состояние к неофункционализации» . BMC Evolutionary Biology . 5 (1): 28. DOI : 10.1186 / 1471-2148-5-28 . PMC 1112588 . PMID 15831095 .  
  3. ^ а б Конрад, Б .; Антонаракис, С.Е. (2007). «Дублирование генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина болезней человека». Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 8 : 17–35. DOI : 10.1146 / annurev.genom.8.021307.110233 . PMID 17386002 . 
  4. ^ С. Оно, Эволюция путем дублирования генов. Нью-Йорк, Гейдельберг, Берлин: Springer-Verlag, 1970, стр. 59-87.
  5. ^ Sémon, M .; Вулф, К. Х. (2008). «Преимущественная субфункционализация медленно развивающихся генов после аллополиплоидизации у Xenopus laevis» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (24): 8333–8. Bibcode : 2008PNAS..105.8333S . DOI : 10.1073 / pnas.0708705105 . PMC 2448837 . PMID 18541921 .  
  6. ^ a b Р. Де Смет и Ю. Ван де Пир, «Избыточность и перепрограммирование генетических сетей после событий дупликации всего генома», Current Opinion in Plant Biology, стр. 1-9, февраль 2012 г.
  7. ^ Руби, JG; Старк, А .; Johnston, WK; Kellis, M .; Бартель, Д.П .; Лай, EC (2007). «Эволюция, биогенез, экспрессия и целевые прогнозы существенно расширенного набора микроРНК дрозофилы» . Геномные исследования . 17 (12): 1850–64. DOI : 10.1101 / gr.6597907 . PMC 2099593 . PMID 17989254 .  
  8. ^ a b c d e f g h i j k l Д. Граур и В.-Х. Ли, Основы молекулярной эволюции, Второе изд. Sinauer Associates, Inc., 2000.
  9. ^ GD Amoutzias, Y. Он, J. Гордон, Д. Mossialos, С. Оливер, и У. ВандеPeer «посттрансляционные воздействия регулирования судьбы дублированных генов.,» Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америка, т. 107, нет. 7, pp. 2967-71, февраль 2010 г.
  10. ^ а б Х. Иннан, "Популяционные генетические модели дублированных генов", Genetica, vol. 137, нет. 1, стр. 19–37, сентябрь 2009 г.
  11. ^ А. Хьюз, Адаптивная эволюция генов и геномов. Нью-Йорк: Oxford University Press, 1999.
  12. ^ а б Линч, Майкл; Форс, Аллан (01.01.2000). «Вероятность сохранения дубликатов генов путем субфункционализации» . Генетика . 154 (1): 459–473. ISSN 0016-6731 . PMC 1460895 . PMID 10629003 .   
  13. ^ Мюллер, Герман Дж. (1936). «Дублирование стержня». Наука . 83 (2161): 528–530. Bibcode : 1936Sci .... 83..528M . DOI : 10.1126 / science.83.2161.528-а . PMID 17806465 . 
  14. ^ X. Хе и Дж. Чжан, «Быстрая субфункционализация, сопровождаемая длительной и существенной неофункционализацией в эволюции дублированных генов», Генетика, том. 169, нет. 2. С. 1157-1164, 2005.
  15. ^ a b c Deng, C .; Cheng, C.- HC; Ye, H .; Он, X .; Чен, Л. (29 ноября 2010 г.). «Эволюция антифриза путем неофункционализации при уходе от адаптивного конфликта» . Труды Национальной академии наук . 107 (50): 21593–21598. Bibcode : 2010PNAS..10721593D . DOI : 10.1073 / pnas.1007883107 . PMC 3003108 . PMID 21115821 .