Войти
Эволюция путем дупликации гена - это событие, в результате которого ген или часть гена могут иметь две идентичные копии, которые невозможно отличить друг от друга. Этот феномен считается важным источником новизны в эволюции, обеспечивая расширенный набор молекулярных активностей. Основным мутационным событием дупликации может быть обычная дупликация гена мутация в хромосоме, или более крупномасштабное событие, затрагивающее целые хромосомы (анеуплоидия ) или целые геномы (полиплоидия ). Классический взгляд, благодаря Сусуму Оно, известной как модель Оно, он объясняет, как дублирование создает избыточность, избыточная копия накапливает полезные мутации, которые обеспечивают топливо для инноваций. Знания об эволюции путем дупликации генов за последние 15 лет продвинулись быстрее благодаря новым геномным данным, более мощным вычислительным методам сравнительного вывода и новым эволюционным моделям.
Существует несколько моделей, которые пытаются объяснить, как новые клеточные функции генов и кодируемых ими белковых продуктов развиваются через механизм дупликации и дивергенции. Хотя каждая модель может объяснить определенные аспекты эволюционного процесса, относительная важность каждого аспекта все еще неясна. На этой странице представлены только те теоретические модели, которые в настоящее время обсуждаются в литературе. Обзорные статьи по этой теме можно найти внизу.
Далее будет проводиться различие между объяснениями краткосрочных эффектов (сохранения) дупликации гена и ее долгосрочных результатов.
Поскольку дупликация гена происходит только в одной клетке, либо в одноклеточном организме, либо в зародышевой клетке многоклеточного организма, его носитель (т. Е. организм) обычно должен конкурировать с другими организмами, не несущими дупликацию. Если дупликация нарушает нормальное функционирование организма, этот организм имеет более низкий репродуктивный успех (или низкий приспособленность ) по сравнению с его конкурентами и, скорее всего, быстро вымрет. Если дупликация не влияет на приспособленность, она может сохраняться в определенной части популяции. В некоторых случаях дупликация определенного гена может принести немедленную пользу, давая его носителю преимущество в пригодности.
Так называемая «дозировка » гена относится к количеству транскриптов мРНК и впоследствии транслированных белковых молекул, продуцируемых геном на время и на ячейку. Если количество продукта гена ниже оптимального уровня, существует два вида мутаций, которые могут увеличить дозировку: увеличение экспрессии гена за счет мутаций промотора и увеличение в количестве копий гена путем дупликации гена.
Чем больше копий одного и того же (дублированного) гена имеется в геноме клетки, тем больше генного продукта может быть произведено одновременно. Если предположить, что не существует регулирующих петель обратной связи, которые автоматически подавляют экспрессию гена, количество продукта гена (или дозировка гена) будет увеличиваться с каждой дополнительной копией гена, пока не будет достигнут некоторый верхний предел или пока не будет доступно достаточное количество продукта гена.
Кроме того, при положительном отборе на увеличенную дозу дублированный ген может быть немедленно выгодным и быстро увеличиваться по частоте в популяции. В этом случае не потребуется никаких дальнейших мутаций для сохранения (или сохранения) дубликатов. Однако в более позднее время такие мутации все же могли произойти, что привело к появлению генов с другими функциями (см. Ниже).
Эффекты дозирования генов после дупликации также могут быть вредными для клетки, и поэтому дупликация может быть выбрана против. Например, когда метаболическая сеть внутри клетки настроена так, что она может выдерживать только определенное количество определенного генного продукта, дупликация гена нарушит этот баланс.
В случаях дупликаций генов, которые не имеют немедленного эффекта приспособленности, сохранение дубликата копии все еще возможно, если обе копии накапливают мутации, которые, например, снижают функциональную эффективность кодируемые белки без полного подавления этой функции. В таком случае молекулярная функция (например, активность белка / фермента) все еще будет доступна клетке, по крайней мере, в той степени, которая была доступна до дупликации (теперь обеспечивается белками, экспрессируемыми из двух локусов гена, а не из одного локуса гена). Однако в этом случае случайная потеря одной копии гена может быть пагубной, поскольку одна копия гена с пониженной активностью почти наверняка будет ниже активности, которая была доступна до дублирования.
Если дупликация гена сохраняется, наиболее вероятная судьба состоит в том, что случайные мутации в одной дублированной копии гена в конечном итоге приведут к тому, что ген станет нефункциональным. Такие нефункциональные остатки генов с детектируемой последовательностью гомологией иногда все еще можно обнаружить в геномах и называются псевдогенами.
Функциональная дивергенция между дубликатами. гены - еще одна возможная судьба. Существует несколько теоретических моделей, которые пытаются объяснить механизмы, приводящие к расхождению:
Термин неофункционализация впервые был введен в обращение Force et al. 1999, но это относится к общему механизму, предложенному Оно 1970. Долгосрочный результат неофункционализации состоит в том, что одна копия сохраняет исходную (до дублирования) функцию гена, а вторая копия приобретает особую функцию. Это также известно как модель MDN, «мутация во время нефункциональности». Основная критика этой модели заключается в высокой вероятности нефункционализации, т. Е. Потери всех функций гена из-за случайного накопления мутаций.
IAD означает « инновации, амплификация, дивергенция »и стремится объяснить эволюцию новых функций гена при сохранении его существующих функций. Инновация, то есть создание новой молекулярной функции, может происходить за счет побочной активности генов и, следовательно, белков, что называется ферментативной неразборчивостью. Например, ферменты могут иногда катализировать более одной реакции, даже если они обычно оптимизированы для катализа только одной реакции. Такие беспорядочные функции белков, если они обеспечивают преимущество для организма-хозяина, затем могут быть усилены дополнительными копиями гена. Такая быстрая амплификация лучше всего известна по бактериям, которые часто несут определенные гены на более мелких нехромосомных молекулах ДНК (называемых плазмидами), которые способны к быстрой репликации. Любой ген в такой плазмиде также реплицируется, а дополнительные копии усиливают экспрессию кодируемых белков, а вместе с тем и любую беспорядочную функцию. После создания нескольких таких копий и их передачи потомкам бактериальных клеток, некоторые из этих копий могут накапливать мутации, которые в конечном итоге приведут к тому, что побочная активность станет основной.
Модель IAD ранее была протестирована в лаборатории с использованием бактериального фермента с двойной функцией в качестве отправной точки. Этот фермент способен катализировать не только свою первоначальную функцию, но и побочную функцию, которую может выполнять другой фермент. Позволив бактериям с этим ферментом развиваться под действием отбора для улучшения обеих активностей (исходной и побочной) в течение нескольких поколений, было показано, что один предковый бифункциональный ген с плохой активностью (инновация) сначала эволюционировал путем амплификации гена, чтобы увеличить экспрессию плохого фермента., а позже накопилось больше полезных мутаций, которые улучшили одно или оба действия, которые могут быть переданы следующему поколению (дивергенция)
«Субфункционализация» также была впервые предложена Force et al. al. 1999. Эта модель требует, чтобы наследственный ген (пре-дупликация) имел несколько функций (подфункций), на которых гены-потомки (пост-дупликации) специализируются дополнительным образом. В настоящее время существует как минимум две разные модели, обозначенные как субфункциональные: «DDC» и «EAC».
DDC означает «дублирование-дегенерация-дополнение». Эта модель была впервые представлена Force et al. 1999. Первый шаг - дупликация гена. Дупликация гена сама по себе не является ни выгодной, ни вредной, поэтому она будет оставаться низкой в популяции людей, не несущих дупликации. Согласно DDC, этот период нейтрального дрейфа может в конечном итоге привести к дополнительному сохранению подфункций, распределенных между двумя копиями гена. Это происходит за счет уменьшающих активность (дегенеративных) мутаций в обоих дубликатах, накапливающихся в течение периодов времени и многих поколений. Взятые вместе, два мутировавших гена обеспечивают тот же набор функций, что и предковый ген (до дупликации). Однако, если один из генов был удален, оставшийся ген не смог бы обеспечить полный набор функций, и клетка-хозяин, вероятно, пострадала бы от некоторых пагубных последствий. Следовательно, на этой более поздней стадии процесса существует сильное давление отбора против удаления любой из двух копий гена, возникших в результате дупликации гена. Дупликация навсегда устанавливается в геноме клетки-хозяина или организма.
EAC означает «выход из адаптивного конфликта». Это название впервые появилось в публикации Хиттингера и Кэрролла 2007. Эволюционный процесс, описываемый моделью EAC, на самом деле начинается до события дупликации гена. Однокомпонентный (не дублированный) ген одновременно выполняет две полезные функции. Это создает «адаптивный конфликт» для гена, поскольку маловероятно, что он будет выполнять каждую отдельную функцию с максимальной эффективностью. Промежуточным результатом эволюции может быть многофункциональный ген, и после дупликации гена его подфункции могут выполнять специализированные потомки гена. Конечный результат будет таким же, как в модели DDC, два функционально специализированных гена (паралогов). В отличие от модели DDC, модель EAC уделяет больше внимания многофункциональному состоянию перед дупликацией развивающихся генов и дает несколько иное объяснение того, почему дублированные многофункциональные гены выиграют от дополнительной специализации после дупликации (потому что адаптивного конфликта многофункционального предка, который необходимо разрешить). Согласно EAC существует предположение о положительном давлении отбора, приводящем к эволюции после дупликации гена, тогда как модель DDC требует только нейтральной («ненаправленной») эволюции, то есть дегенерации и комплементации.
