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:
- количество нуклеотидных изменений, вызывающих новую функцию, должно быть очень минимальным; что делает вероятность псевдогенизации намного выше, чем неофункционализацию после события дупликации гена. [8]
- 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]
- Во многих случаях положительный дарвиновский отбор дает более экономное объяснение дивергенции мультигенных семейств. [8]
См. Также [ править ]
- Субфункционализация
Ссылки [ править ]
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ С. Оно, Эволюция путем дублирования генов. Нью-Йорк, Гейдельберг, Берлин: Springer-Verlag, 1970, стр. 59-87.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ а б Х. Иннан, "Популяционные генетические модели дублированных генов", Genetica, vol. 137, нет. 1, стр. 19–37, сентябрь 2009 г.
- ^ А. Хьюз, Адаптивная эволюция генов и геномов. Нью-Йорк: Oxford University Press, 1999.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .