Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из перекрывающихся генов )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Перекрывающиеся гены (или OLG ) [1] представляет собой ген , чьи экспрессируемой нуклеотидной последовательность частично перекрывается с экспрессируемой нуклеотидной последовательностью другого гена. [2] Таким образом, нуклеотидная последовательность может вносить вклад в функцию одного или нескольких генных продуктов . Наложение отпечатка относится к типу перекрытия, при котором вся или часть последовательности одного гена считывается в альтернативной рамке считывания из другого гена в том же локусе . Оверпринтинг был выдвинут гипотезой как механизм появления новых генов de novo.из существующих последовательностей, либо более старых генов, либо ранее некодирующих участков генома. [3] Гены с надпечаткой - особенно общие черты геномной организации вирусов, которые, вероятно, значительно увеличивают количество потенциально экспрессируемых генов из небольшого набора вирусной генетической информации. [4]

Классификация [ править ]

Тандемное противофазное перекрытие митохондриальных генов человека ATP8 (+1 рамка, красный цвет) и ATP6 (+3 рамка, синий цвет) [5]

Гены могут перекрываться множеством способов и могут быть классифицированы по их положению относительно друг друга. [2] [6] [7] [8] [9]

  • Однонаправленное или тандемное перекрытие: 3 ' конец одного гена перекрывается с 5' концом другого гена на той же цепи. Это расположение может быть обозначено обозначением → → где стрелки указывают рамку считывания от начала до конца.
  • Конвергентное или концевое перекрытие: 3'- концы двух генов перекрываются на противоположных цепях. Это можно записать как → ←.
  • Дивергентное или хвостовое перекрытие: 5'- концы двух генов перекрываются на противоположных цепях. Это можно записать как ← →.

Перекрывающиеся гены также можно классифицировать по фазам , которые описывают их относительные рамки считывания : [2] [6] [7] [8] [9]

  • Синфазное перекрытие происходит, когда общие последовательности используют одну и ту же рамку считывания. Это также известно как «фаза 0». Однонаправленные гены с перекрытием фазы 0 не считаются отдельными генами, а скорее являются альтернативными стартовыми сайтами одного и того же гена.
  • Противофазные перекрытия возникают, когда общие последовательности используют разные рамки считывания. Это может происходить в «фазе 1» или «фазе 2», в зависимости от того, смещены ли рамки считывания на 1 или 2 нуклеотида. Поскольку кодон состоит из трех нуклеотидов, смещение в три нуклеотида является синфазным фреймом фазы 0.

Эволюция [ править ]

Перекрывающиеся гены особенно часто встречаются в быстро развивающихся геномах, таких как геномы вирусов , бактерий и митохондрий . Они могут возникать тремя способами: [10]

  1. Путем расширения существующей открытой рамки считывания (ORF) вниз по течению в непрерывный ген из-за потери стоп-кодона ;
  2. Путем расширения существующей рамки считывания до смежного гена из-за потери кодона инициации ;
  3. Путем создания новой ORF в существующей в результате точечной мутации .

Использование одной и той же нуклеотидной последовательности для кодирования нескольких генов может обеспечить эволюционное преимущество из-за уменьшения размера генома и из-за возможности совместной регуляции транскрипции и трансляции перекрывающихся генов. [7] [11] [12] [13] Гены перекрытия вводят новые эволюционные ограничения на последовательности перекрывающихся областей. [9] [14]

Истоки новых генов [ править ]

Кладограмма указывает на возможную эволюционную траекторию рХ области гена-плотным в человеческой Т-лимфотропного вируса 1 (HTLV1), в дельта-ретровирусы , связанного с раком крови. Эта область содержит множество перекрывающихся генов, некоторые из которых, вероятно, возникли de novo в результате наложения . [4]

В 1977 году Пьер-Поль Грассе предположил, что один из генов в паре мог возникнуть de novo в результате мутаций, вводящих новые ORF в альтернативные рамки считывания; он описал этот механизм как надпечатку . [15] : 231 Позже это подтвердил Сусуму Оно , который идентифицировал ген-кандидат, который мог возникнуть благодаря этому механизму. [16] Некоторые De Novo гены , происходящие таким образом , не может оставаться перекрывающихся, но subfunctionalize следующие дупликации генов , [3] способствуя распространенности генов - сирот. Какой член перекрывающейся пары генов моложе, можно определить биоинформатически либо по более ограниченному филогенетическому распределению, либо по менее оптимизированному использованию кодонов . [4] [17] [18] Более молодые члены пары, как правило, имеют более высокое внутреннее структурное расстройство, чем более старые члены, но более старые члены также более неупорядочены, чем другие белки, предположительно, как способ смягчения возросших эволюционных ограничений, создаваемых перекрытием . [17] Перекрытия чаще возникают в белках, которые уже имеют высокий уровень нарушения. [17]

Таксономическое распределение [ править ]

Перекрывающиеся гены в геноме бактериофага ΦX174. В этом геноме 11 генов (A, A *, BH, J, K). Гены B, K, E перекрываются с генами A, C, D. [19]

Перекрывающиеся гены встречаются во всех сферах жизни , хотя и с разной частотой. Особенно часто они встречаются в вирусных геномах.

Вирусы [ править ]

РНК глушители супрессор р19 из томатных густого вируса каскадеров , белок , кодируемый геном надпечатки. Белок специфически связывает миРНК, продуцируемую как часть защиты растений от вирусов, подавляющую РНК . [20]

Существование перекрывающихся генов было впервые обнаружено у вирусов; первый когда-либо секвенированный ДНК-геном бактериофага ΦX174 содержал несколько примеров. [19] Другим примером является ген ORF3d вируса SARS-CoV 2 . [1] [21] Перекрывающиеся гены особенно часто встречаются в вирусных геномах. [4] Некоторые исследования связывают это наблюдение с давлением отбора в сторону малых размеров генома, опосредованным физическими ограничениями упаковки генома в вирусный капсид , особенно в капсиде с икосаэдрической геометрией. [22]Однако другие исследования оспаривают этот вывод и утверждают, что распределение перекрытий в вирусных геномах, скорее всего, отражает наложение как эволюционное происхождение перекрывающихся вирусных генов. [23] Наложение печати - частый источник генов de novo в вирусах. [18]

Исследования вирусных генов с надпечаткой показывают, что их белковые продукты, как правило, являются дополнительными белками, которые не являются существенными для вирусной пролиферации, но вносят вклад в патогенность . Белки с наложенной печатью часто имеют необычное распределение аминокислот и высокий уровень внутреннего нарушения . [24] В некоторых случаях белки с надпечаткой действительно имеют четко определенные, но новые трехмерные структуры; [25] одним из примеров является супрессор молчания РНК p19 , обнаруженный в Tombusviruses , который имеет как новую белковую складку, так и новый способ связывания при распознавании siRNA . [18] [20][26]

Прокариоты [ править ]

Оценки перекрытия генов в бактериальных геномах обычно показывают, что примерно одна треть бактериальных генов перекрывается, хотя обычно только несколькими парами оснований. [7] [27] [28] Большинство исследований перекрытия в бактериальных геномах находят доказательства того, что перекрытие выполняет функцию регуляции генов , позволяя транскрипционно и трансляционно ко-регулируться перекрывающимся генам . [7] [13] В прокариотических геномах однонаправленные перекрытия являются наиболее распространенными, возможно, из-за тенденции соседних прокариотических генов к общей ориентации. [7] [9] [6]Среди однонаправленных перекрытий длинные перекрытия чаще считываются со смещением в один нуклеотид в рамке считывания (т.е. фаза 1), а короткие перекрытия чаще считываются в фазе 2. [28] [29] Длинные перекрытия более 60 пар оснований чаще встречаются для конвергентных генов; однако предполагаемые длительные совпадения имеют очень высокий уровень неправильного аннотации . [30] Надежно подтвержденные примеры длительного перекрытия бактериальных геномов встречаются редко; В хорошо изученном модельном организме Escherichia coli только четыре пары генов хорошо подтверждены как имеющие длинные перекрытия с наложением. [31]

Эукариоты [ править ]

По сравнению с прокариотическими геномами, эукариотические геномы часто плохо аннотированы, и поэтому идентификация подлинных перекрытий является относительно сложной задачей. [18] Однако примеры подтвержденных совпадений генов были задокументированы у различных эукариотических организмов, включая млекопитающих, таких как мыши и люди. [32] [33] [34] [35] Эукариоты отличаются от прокариот распределением типов перекрытия: в то время как однонаправленные (т.е. одинаковые нити) перекрытия наиболее распространены у прокариот, перекрытия противоположных или антипараллельных цепей чаще встречаются у эукариот. Среди перекрытий противоположных прядей наиболее распространена сходящаяся ориентация. [33]Большинство исследований перекрытия эукариотических генов показало, что перекрывающиеся гены в значительной степени подвержены геномной реорганизации даже у близкородственных видов, и, таким образом, перекрытие не всегда хорошо сохраняется. [34] [36] Перекрытие со старыми или менее таксономически ограниченными генами также является общей чертой генов, которые, вероятно, возникли de novo в данной эукариотической линии. [34] [37] [38]

Функция [ править ]

Точные функции перекрывающихся генов, по-видимому, различаются в разных сферах жизни, но несколько экспериментов показали, что они важны для жизненных циклов вирусов благодаря правильной экспрессии и стехиометрии белка [39], а также играют роль в правильной укладке белков. [40] Также была создана версия бактериофага ΦX174 , в которой были удалены все перекрытия генов [41], доказывая, что они не были необходимы для репликации.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Нельсон, Чейз В. и другие. (1 октября 2020 г.). «Динамически развивающийся новый перекрывающийся ген как фактор пандемии SARS-CoV-2» . eLife . 9 . DOI : 10.7554 / eLife.59633 . PMC  7655111 . PMID  33001029 . Дата обращения 11 ноября 2020 .
  2. ^ a b c Я. Фукуда, М. Томита и Т. Вашио (1999). «Сравнительное исследование перекрывающихся генов в геномах Mycoplasma genitalium и Mycoplasma pneumoniae » . Nucleic Acids Res . 27 (8): 1847–1853. DOI : 10.1093 / NAR / 27.8.1847 . PMC 148392 . PMID 10101192 .  
  3. ^ a b Киз, ПК; Гиббс, А (15 октября 1992 г.). «Истоки генов:« большой взрыв »или непрерывное творчество?» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (20): 9489–93. Bibcode : 1992PNAS ... 89.9489K . DOI : 10.1073 / pnas.89.20.9489 . PMC 50157 . PMID 1329098 .  
  4. ^ a b c d Павеси, Анджело; Магиоркинис, Гкикас; Карлин, Дэвид Г .; Уилке, Клаус О. (15 августа 2013 г.). «Вирусные белки, полученные De Novo путем наложения отпечатков, могут быть идентифицированы по использованию кодонов: применение в« генетическом питомнике »дельтаретровирусов» . PLOS Вычислительная биология . 9 (8): e1003162. DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1003162 . PMC 3744397 . PMID 23966842 .  
  5. ↑ Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de Bruijn MH, Coulson AR, Drouin J, Eperon IC, Nierlich DP, Roe BA, Sanger F, Schreier PH, Smith AJ, Staden R, Young IG (апрель 1981). «Последовательность и организация митохондриального генома человека». Природа . 290 (5806): 457–465. Bibcode : 1981Natur.290..457A . DOI : 10.1038 / 290457a0 . PMID 7219534 . S2CID 4355527 .  
  6. ^ a b c Фукуда, Йоко; Накаяма, Йоичи; Томита, Масару (декабрь 2003 г.). «О динамике перекрывающихся генов в бактериальных геномах». Джин . 323 : 181–187. DOI : 10.1016 / j.gene.2003.09.021 . PMID 14659892 . 
  7. ^ Б с д е е Johnson Z, Chisholm S (2004). «Свойства перекрывающихся генов сохраняются в микробных геномах» . Genome Res . 14 (11): 2268–72. DOI : 10.1101 / gr.2433104 . PMC 525685 . PMID 15520290 .  
  8. ^ a b Normark S .; Bergstrom S .; Эдлунд Т .; Grundstrom T .; Jaurin B .; Линдберг FP; Ольссон О. (1983). «Перекрывающиеся гены». Ежегодный обзор генетики . 17 : 499–525. DOI : 10.1146 / annurev.ge.17.120183.002435 . PMID 6198955 . 
  9. ^ a b c d Рогозин Игорь Б .; Спиридонов, Алексей Н .; Сорокин, Александр В .; Волк, Юрий I .; Джордан, И. Кинг; Татусов, Роман Л .; Кунин, Евгений В. (май 2002 г.). «Очищающий и направленный отбор в перекрывающихся генах прокариот». Тенденции в генетике . 18 (5): 228–232. DOI : 10.1016 / S0168-9525 (02) 02649-5 . PMID 12047938 . 
  10. ^ Кракауэр, Дэвид С. (июнь 2000). «Стабильность и эволюция перекрывающихся генов» . Эволюция . 54 (3): 731–739. DOI : 10.1111 / j.0014-3820.2000.tb00075.x . PMID 10937248 . S2CID 8818055 .  
  11. ^ Делэй, Луис; ДеЛуна, Александр; Ласкано, Антонио; Бесерра, Артуро (2008). «Происхождение нового гена путем наложения на Escherichia coli» . BMC Evolutionary Biology . 8 (1): 31. DOI : 10.1186 / 1471-2148-8-31 . PMC 2268670 . PMID 18226237 .  
  12. ^ Саха, Дейя; Поддер, Сумита; Панда, Аруп; Гош, Тапаш Чандра (май 2016 г.). «Перекрывающиеся гены: значительный геномный коррелят скорости роста прокариот». Джин . 582 (2): 143–147. DOI : 10.1016 / j.gene.2016.02.002 . PMID 26853049 . 
  13. ^ а б Ло, Инцинь; Баттистуцци, Фабия; Лин, Куи; Гибас, Синтия (29 ноября 2013 г.). «Эволюционная динамика перекрывающихся генов у сальмонелл» . PLOS ONE . 8 (11): e81016. DOI : 10.1371 / journal.pone.0081016 . PMC 3843671 . PMID 24312259 .  
  14. ^ Wei, X .; Чжан, Дж. (31 декабря 2014 г.). «Простой метод оценки силы естественного отбора по перекрывающимся генам» . Геномная биология и эволюция . 7 (1): 381–390. DOI : 10.1093 / GbE / evu294 . PMC 4316641 . PMID 25552532 .  
  15. ^ Грассе, Пьер-Поль (1977). Эволюция живых организмов: свидетельство новой теории трансформации . Академическая пресса. ISBN 9781483274096.
  16. ^ Оно, S (апрель 1984). «Рождение уникального фермента из альтернативной рамки считывания ранее существовавшей, внутренне повторяющейся кодирующей последовательности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (8): 2421–5. Bibcode : 1984PNAS ... 81.2421O . DOI : 10.1073 / pnas.81.8.2421 . PMC 345072 . PMID 6585807 .  
  17. ^ a b c Уиллис, Сара; Масел, Джоанна (19 июля 2018 г.). «Рождение гена способствует структурному нарушению, кодируемому перекрывающимися генами» . Генетика . 210 (1): 303–313. DOI : 10.1534 / genetics.118.301249 . PMC 6116962 . PMID 30026186 .  
  18. ^ a b c d Sabath, N .; Вагнер, А .; Карлин, Д. (19 июля 2012 г.). «Эволюция вирусных белков, созданных De Novo путем надпечатки» . Молекулярная биология и эволюция . 29 (12): 3767–3780. DOI : 10.1093 / molbev / mss179 . PMC 3494269 . PMID 22821011 .  
  19. ^ a b Sanger, F .; Air, GM; Barrell, BG; Браун, Нидерланды; Колсон, АР; Fiddes, JC; Хатчисон, Калифорния; Слокомб, PM; Смит, М. (1977). «Нуклеотидная последовательность ДНК бактериофага ФХ174». Природа . 265 (5596): 687–95. Bibcode : 1977Natur.265..687S . DOI : 10.1038 / 265687a0 . PMID 870828 . S2CID 4206886 .  
  20. ^ а б Е, Кэцюн; Малинина, Люси; Патель, Диншоу Дж. (3 декабря 2003 г.). «Распознавание малой интерферирующей РНК вирусным супрессором молчания РНК» . Природа . 426 (6968): 874–878. Bibcode : 2003Natur.426..874Y . DOI : 10,1038 / природа02213 . PMC 4694583 . PMID 14661029 .  
  21. ^ Dockrill, Питер (11 ноября 2020). «Ученые только что обнаружили загадочно спрятанный« ген в гене »SARS-CoV-2» . ScienceAlert . Дата обращения 11 ноября 2020 .
  22. ^ Кирико, N .; Вианелли, А .; Белшоу, Р. (7 июля 2010 г.). «Почему у вирусов перекрываются гены» . Труды Королевского общества B: биологические науки . 277 (1701): 3809–3817. DOI : 10.1098 / rspb.2010.1052 . PMC 2992710 . PMID 20610432 .  
  23. ^ Брандес, Надав; Линиал, Михал (21 мая 2016 г.). «Гены перекрытия и ограничения размера в вирусном мире» . Биология Директ . 11 (1): 26. DOI : 10,1186 / s13062-016-0128-3 . PMC 4875738 . PMID 27209091 .  
  24. ^ Rancurel, C .; Хосрави, М .; Дункер, AK; Ромеро, PR; Карлин, Д. (29 июля 2009 г.). «Перекрывающиеся гены производят белки с необычными свойствами последовательности и дают представление о создании белков De Novo» . Журнал вирусологии . 83 (20): 10719–10736. DOI : 10,1128 / JVI.00595-09 . PMC 2753099 . PMID 19640978 .  
  25. ^ Abroi, Ааре (1 декабря 2015). «Основанный на белковом домене взгляд на отношения виросферы и хозяина». Биохимия . 119 : 231–243. DOI : 10.1016 / j.biochi.2015.08.008 . PMID 26296474 . 
  26. ^ Варгасон, Джеффри М; Ситтья, Дьёрдь; Бургьян, Йожеф; Холл, Трэйси М. Танака (декабрь 2003 г.). «Выборочное распознавание siRNA с помощью подавителя молчания РНК» . Cell . 115 (7): 799–811. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (03) 00984-X . PMID 14697199 . S2CID 12993441 .  
  27. ^ Хювет, Максим; Штумпф, Майкл PH (1 января 2014 г.). «Перекрывающиеся гены: окно эволюционируемости генов» . BMC Genomics . 15 (1): 721. DOI : 10.1186 / 1471-2164-15-721 . ISSN 1471-2164 . PMC 4161906 . PMID 25159814 .   
  28. ^ a b Петух, Питер JA; Уитворт, Дэвид Э. (19 марта 2007 г.). «Эволюция перекрытий генов: относительное смещение рамки считывания в генах двухкомпонентной системы прокариот». Журнал молекулярной эволюции . 64 (4): 457–462. DOI : 10.1007 / s00239-006-0180-1 . PMID 17479344 . S2CID 21612308 .  
  29. ^ Fonseca, MM; Харрис, диджей; Посада, Д. (5 ноября 2013 г.). «Происхождение и распределение длины однонаправленных генов перекрытия прокариот» . G3: Гены, геномы, генетика . 4 (1): 19–27. DOI : 10,1534 / g3.113.005652 . PMC 3887535 . PMID 24192837 .  
  30. ^ Palleja, Альберт; Харрингтон, Иоган Д.; Борк, Пер (2008). «Большие перекрытия генов в геномах прокариот: результат функциональных ограничений или ошибочных прогнозов?» . BMC Genomics . 9 (1): 335. DOI : 10.1186 / 1471-2164-9-335 . PMC 2478687 . PMID 18627618 .  
  31. ^ Фелльнер, Леа; Симон, Свенья; Шерлинг, Кристиан; Уиттинг, Майкл; Шобер, Штеффен; Полте, Кристина; Шмитт-Копплин, Филипп; Keim, Daniel A .; Шерер, Зигфрид; Нойгауз, Клаус (18 декабря 2015 г.). «Доказательства недавнего происхождения бактериального белка-кодирующего перекрывающегося орфанного гена путем эволюционного наложения» . BMC Evolutionary Biology . 15 (1): 283. DOI : 10,1186 / s12862-015-0558-г . PMC 4683798 . PMID 26677845 .  
  32. ^ McLysaght, Aoife; Герцони, Даниэле (31 августа 2015 г.). «Новые гены из некодирующей последовательности: роль генов de novo, кодирующих белок, в эволюционных инновациях эукариот» . Философские труды Королевского общества B: биологические науки . 370 (1678): 20140332. DOI : 10.1098 / rstb.2014.0332 . PMC 4571571 . PMID 26323763 .  
  33. ^ а б К. Санна, В. Ли и Л. Чжан (2008). «Перекрывающиеся гены в геномах человека и мыши» . BMC Genomics . 9 (169): 169. DOI : 10.1186 / 1471-2164-9-169 . PMC 2335118 . PMID 18410680 .  
  34. ^ a b c Макаловская, Изабела; Линь Цзяо-Фэн; Эрнандес, Криситина (2007). «Рождение и смерть перекрытия генов у позвоночных» . BMC Evolutionary Biology . 7 (1): 193. DOI : 10.1186 / 1471-2148-7-193 . PMC 2151771 . PMID 17939861 .  
  35. ^ Veeramachaneni, V. (1 февраля 2004). «Перекрывающиеся гены млекопитающих: сравнительная перспектива» . Геномные исследования . 14 (2): 280–286. DOI : 10.1101 / gr.1590904 . PMC 327103 . PMID 14762064 .  
  36. ^ Бехура, Susanta K; Северсон, Дэвид В. (2013). «Перекрывающиеся гены Aedes aegypti: эволюционные последствия по сравнению с ортологами Anopheles gambiae и других насекомых» . BMC Evolutionary Biology . 13 (1): 124. DOI : 10.1186 / 1471-2148-13-124 . PMC 3689595 . PMID 23777277 .  
  37. ^ Мерфи, Дэниел Н .; McLysaght, Aoife; Кармель, Лиран (21 ноября 2012 г.). "Происхождение De Novo генов, кодирующих белок, у мышей грызунов" . PLOS ONE . 7 (11): e48650. Bibcode : 2012PLoSO ... 748650M . DOI : 10.1371 / journal.pone.0048650 . PMC 3504067 . PMID 23185269 .  
  38. ^ Ноулз, Д.Г. McLysaght, A. (2 сентября 2009 г.). «Недавнее происхождение de novo генов, кодирующих белок человека» . Геномные исследования . 19 (10): 1752–1759. DOI : 10.1101 / gr.095026.109 . PMC 2765279 . PMID 19726446 .  
  39. ^ Райт, Брэдли У .; Руан, Цзюаньфанг; Molloy, Mark P .; Яшке, Пол Р. (20 ноября 2020 г.). «Модуляризация генома показывает, что топология перекрывающихся генов необходима для эффективного размножения вирусов» . Синтетическая биология ACS . 9 (11): 3079–3090. DOI : 10.1021 / acssynbio.0c00323 . ISSN 2161-5063 . 
  40. ^ Прадхан, Праджакта; Ли, Вэнь; Каур, Парджит (январь 2009 г.). «Трансляционное сцепление контролирует экспрессию и функцию насоса для оттока лекарств DrrAB» . Журнал молекулярной биологии . 385 (3): 831–842. DOI : 10.1016 / j.jmb.2008.11.027 .
  41. ^ Jaschke, Paul R .; Либерман, Эрика К .; Родригес, Джон; Сьерра, Адриан; Энди, Дрю (декабрь 2012 г.). «Полностью декомпрессированный геном синтетического бактериофага øX174, собранный и заархивированный в дрожжах» . Вирусология . 434 (2): 278–284. DOI : 10.1016 / j.virol.2012.09.020 . ISSN 0042-6822 .