WikiDer > Неофункционализация

Neofunctionalization
Неофункционализация - это процесс, посредством которого 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 (представленную синим паралогом).

Неофункционализация, один из возможных результатов функциональное расхождение, возникает, когда одна копия гена, или паралог, берет на себя совершенно новую функцию после дупликация гена мероприятие. Неофункционализация - это процесс адаптивной мутации; это означает, что одна из копий гена должна мутировать для развития функции, которой не было в предковом гене.[1][2][3] Другими словами, один из дубликатов сохраняет свою первоначальную функцию, а другой накапливает молекулярные изменения, так что со временем он может выполнять другую задачу.[4] Считается, что этот процесс свободен от давления отбора, поскольку одна копия гена может мутировать, не оказывая неблагоприятного воздействия на приспособленность организма, поскольку наследственная функция сохраняется в другой копии.[5][6][7][8]

Процесс

Процесс неофункционализации начинается с дупликация гена событие, которое, как полагают, происходит как защитный механизм от накопления вредных мутаций.[6][8][9] После события дупликации 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 регуляторных элементов гена.[8] Гораздо реже можно увидеть серьезные изменения функции белка, такие как структура субъединицы или сродство к субстрату и лиганду, в результате неофункционализации.[8]

Селективные ограничения

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. путем естественного отбора.[8] Считается, что в эволюции этот процесс 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 со временем (т.е. псевдогенизация), намного выше, чем вероятность появления новой функции гена.[10] Уолш обнаружил, что относительная вероятность неофункционализации определяется избирательным преимуществом и относительной частотой благоприятных мутаций.[12] Это было доказано им при выводе относительной вероятности неофункционализации к псевдогенизации, которая определяется следующим образом: где ρ - отношение частоты благоприятных мутаций к частоте нулевых мутаций, а S - популяционный отбор 4NeS (Ne: эффективный размер популяции, S: интенсивность отбора).[12]

Классическая модель

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]

Неосубфункциональность

Неосубфункциональность происходит, когда неофункционализация является конечным результатом субфункционализация. Другими словами, как только происходит событие дупликации гена, формируя парологи, которые после периода эволюции субфункциональны, одна копия гена продолжает этот эволюционный путь и накапливает мутации, которые приводят к новой функции.[8][14] Некоторые считают, что неофункционализация - это конечная стадия 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 для сохранения дубликатов копий гена».[2] Результаты их исследования становятся более заметными по мере увеличения численности популяции.

Примеры

Эволюция антифриза у антарктических рыб зоарцид L. dearborni представляет собой яркий пример неофункционализации после дупликации гена. В случае гена антифриза типа III антарктических рыб зоарцид (AFPIII; P12102) отклонился 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

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

  1. количество нуклеотидных изменений, вызывающих новую функцию, должно быть очень минимальным; делая вероятность для псевдогенизация намного выше, чем неофункционализация после события дупликации гена.[8]
  2. После события дупликации гена обе копии могут подвергаться 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Kleinjan, Dirk 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 у рыбок данио за счет цис-регуляторной дивергенции». PLoS Genetics. 4 (2): e29. Дои:10.1371 / journal.pgen.0040029. ЧВК 2242813. PMID 18282108.
  2. ^ а б c d Растоги, С .; Либерлес, Д. А. (2005). «Субфункциональность дублированных генов как переходное состояние к неофункционализации». BMC Эволюционная биология. 5 (1): 28. Дои:10.1186/1471-2148-5-28. ЧВК 1112588. PMID 15831095.
  3. ^ а б Конрад, В .; Антонаракис, С. Э. (2007). «Дублирование генов: стремление к фенотипическому разнообразию и причина болезней человека». Ежегодный обзор геномики и генетики человека. 8: 17–35. Дои: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:2008ПНАС..105.8333С. Дои:10.1073 / pnas.0708705105. ЧВК 2448837. PMID 18541921.
  6. ^ а б Р. Де Смет и Ю. Ван де Пир, «Избыточность и изменение схемы генетических сетей после событий дупликации в масштабе всего генома», Current Opinion in Plant Biology, стр. 1-9, февраль 2012 г.
  7. ^ Ruby, J. G .; Старк, А .; Johnston, W. K .; Kellis, M .; Бартель, Д. П .; Лай, Э. С. (2007). «Эволюция, биогенез, экспрессия и целевые прогнозы существенно расширенного набора микроРНК дрозофилы». Геномные исследования. 17 (12): 1850–64. Дои:10.1101 / гр.6597907. ЧВК 2099593. PMID 17989254.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Д. Граур и В.-Х. Ли, Основы молекулярной эволюции, Второе изд. Sinauer Associates, Inc., 2000 г.
  9. ^ GD Amoutzias, Y. He, J. Gordon, D. Mossialos, SG Oliver и Y. Van de Peer, «Посттрансляционная регуляция влияет на судьбу дублированных генов», Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки , 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 за счет субфункционализации». Генетика. 154 (1): 459–473. ISSN 0016-6731. ЧВК 1460895. PMID 10629003.
  13. ^ Мюллер, Герман Дж. (1936). «Дублирование стержня». Наука. 83 (2161): 528–530. Bibcode:1936Научный .... 83..528М. Дои: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», Genetics, vol. 169, нет. 2. С. 1157-1164, 2005.
  15. ^ а б c Deng, C .; Cheng, C.-H.C .; 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. Дои:10.1073 / pnas.1007883107. ЧВК 3003108. PMID 21115821.