Войти
Орфанные гены (также называемые ORF ans, особенно в микробной литературе) - это гены без обнаруживаемых гомологов в других линиях. Сироты - это подмножество таксономически ограниченных генов (TRG), которые уникальны для определенного таксономического уровня (например, специфичных для растений). В отличие от несиротских TRG, сироты обычно считаются уникальными для очень узкого таксона, как правило, вида.
Классическая модель эволюции основана на дупликации, перегруппировке и мутации генов с идеей общего происхождения. Гены-сироты различаются тем, что они специфичны для клонов и не имеют известной истории общих дупликаций и реаранжировок за пределами их конкретного вида или клады. Гены-сироты могут возникать посредством различных механизмов, таких как горизонтальный перенос генов, дупликация и быстрое расхождение, и возникновение de novo из некодирующих последовательность. Эти процессы могут действовать с разной скоростью у насекомых, приматов и растений. Несмотря на относительно недавнее происхождение, орфанные гены могут кодировать функционально важные белки.
Орфанные гены были впервые было обнаружено, когда в 1996 году начался проект по секвенированию генома дрожжей. На гены-сироты приходилось примерно 26% генома дрожжей, но считалось, что эти гены можно отнести к гомологам, если секвенировать больше геномов. В то время дупликация генов считалась единственной серьезной моделью эволюции генов, и было мало секвенированных геномов для сравнения, поэтому считалось, что отсутствие поддающихся обнаружению гомологов, скорее всего, связано с отсутствием данных секвенирования, а не из-за истинного отсутствия гомологии. Однако по мере роста количества секвенированных геномов гены-сироты продолжали существовать, что в конечном итоге привело к выводу, что гены-сироты распространены повсеместно во всех геномах. Оценки процента генов, оставшихся сиротами, сильно различаются между видами и исследованиями; 10–30% - это обычно цитируемая цифра.
Изучение генов-сирот началось в значительной степени на рубеже веков. В 2003 году в исследовании Caenorhabditis briggsae и родственных видов сравнивалось более 2000 генов. Они предположили, что эти гены должны эволюционировать слишком быстро, чтобы их можно было обнаружить, и, следовательно, являются участками очень быстрой эволюции. В 2005 году Уилсон исследовал 122 вида бактерий, чтобы попытаться выяснить, правомерно ли большое количество сиротских генов у многих видов. Исследование показало, что это было законно и сыграло роль в адаптации бактерий. Определение таксономически ограниченных генов было введено в литературу, чтобы гены-сироты казались менее «загадочными».
В 2008 году было обнаружено, что дрожжевой белок с установленной функциональностью, BSC4, эволюционировал de novo из не- кодирующие последовательности, гомология которых все еще обнаруживалась у сестринских видов.
В 2009 году был обнаружен сиротский ген, регулирующий внутреннюю биологическую сеть: сиротский ген QQS из Arabidopsis thaliana изменяет состав растений. Орфанный белок QQS взаимодействует с консервативным фактором транскрипции, эти данные объясняют изменения в составе (увеличение количества белка), которые индуцируются, когда QQS внедряется в различные виды. В 2011 году на модельном растении Arabidopsis thaliana было проведено всестороннее геномное исследование распространения и эволюционного происхождения орфанных генов у растений.
Гены могут быть ориентировочно классифицируются как сироты, если у ближайших видов не обнаружены ортологичные белки.
Одним из методов, используемых для оценки сходства нуклеотидных или белковых последовательностей, указывающих на гомологию (т. е. сходство из-за общего происхождения), является инструмент поиска базового локального сопоставления (BLAST BLAST позволяет быстро искать последовательности запросов в больших базах данных последовательностей. Моделирование показывает, что при определенных условиях BLAST подходит для обнаружения дальних родственников гена. Однако BLAST легко может пропустить короткие и быстро развивающиеся гены.
Систематическое обнаружение гомологии для аннотирования генов-сирот называется филостратиграфией. Филостратиграфия создает филогенетическое дерево, в котором вычисляется гомология между всеми генами основного вида и гены других видов. Самый ранний общий предок гена определяет возраст или филослоистость гена. Термин «сирота» иногда используется только для самого молодого филострата, содержащего только один вид, но при широком толковании как таксономически ограниченный ген он может относиться ко всем, кроме самого старого филострата, с геном, осиротевшим в более крупной кладе.
Сиротские гены возникают из множества источников, преимущественно в результате возникновения de novo, дублирования и быстрой дивергенции, а также горизонтального переноса генов.
Постоянно возникают новые сиротские гены novo из некодирующих последовательностей. Эти новые гены могут быть достаточно полезными, чтобы их можно было зафиксировать путем отбора. Или, что более вероятно, они снова отойдут на негенный фон. Этот последний вариант подтверждается исследованиями на дрозофиле, показывающими, что молодые гены с большей вероятностью вымирают.
Когда-то считалось, что гены de novo практически невозможны из-за сложных и потенциально хрупких тонкостей создания и поддержания функциональных полипептидов., но исследования последних 10 лет или около того обнаружили множество примеров генов de novo, некоторые из которых связаны с важными биологическими процессами, в частности с функцией яичек у животных. Гены de novo были также обнаружены в грибах и растениях.
Для молодых генов-сирот иногда можно найти гомологичные некодирующие последовательности ДНК в сестринских таксонах, что обычно считается убедительным доказательством происхождения de novo. Однако вклад de novo происхождения в таксономически ограниченные гены более старого происхождения, особенно в отношении традиционной теории дупликации генов эволюции генов, остается спорным.
Дупликация и модель дивергенции для сиротских генов включает новый ген, созданный в результате некоторого события дупликации или дивергенции и проходящий период быстрой эволюции, когда все обнаруживаемое сходство с первоначально дублированным геном теряется. Хотя это объяснение согласуется с текущим пониманием механизмов дупликации, количество мутаций, необходимых для потери обнаруживаемого сходства, достаточно велико, чтобы быть редким событием, а эволюционный механизм, с помощью которого дубликат гена может быть изолирован и расходиться так быстро, остается неясным.
Другое объяснение того, как возникают гены-сироты, связано с механизмом дупликации, называемым горизонтальным переносом гена, когда исходный дублированный ген происходит от отдельной, неизвестной линии. Это объяснение происхождения генов-сирот особенно актуально для бактерий и архей, где горизонтальный перенос генов обычен.
Сиротские гены, как правило, очень короткие (примерно в 6 раз короче зрелых генов), а некоторые слабо экспрессируются, тканеспецифичны и проще по использованию кодонов и аминокислотному составу. Орфанные гены имеют тенденцию кодировать больше внутренне неупорядоченных белков, хотя некоторая структура была обнаружена в одном из наиболее охарактеризованных орфанных генов. Из десятков тысяч ферментов первичного или специализированного метаболизма, которые были охарактеризованы на сегодняшний день, ни один не является сиротским или даже ограниченным по происхождению; очевидно, для катализа требуются сотни миллионов лет эволюции.
Несмотря на то, что преобладание сиротских генов уже установлено, эволюционная роль сирот и, как следствие, ее важность все еще остаются обсуждается. Одна из теорий состоит в том, что многие сироты не играют никакой эволюционной роли; геномы содержат нефункциональные открытые рамки считывания (ORF), которые создают ложные полипептидные продукты, не поддерживаемые отбором, что означает, что они вряд ли сохранятся между видами и, вероятно, будут обнаружены как сиротские гены. Однако множество других исследований показали, что по крайней мере некоторые сироты функционально важны и могут помочь объяснить появление новых фенотипов.
