Árva gének

Az árva gének ( Orphan gene vagy ORF ans, főleg a mikrobiológiai szakirodalomban) [1] [2]  olyan gének , amelyek más evolúciós ágakban nem találtak homológokat angolul  [2] Az árvák taxonómiailag korlátozott gének (TRG-k) egy alcsoportját jelentik , amelyek egy bizonyos taxonómiai szinten egyediek (például egy adott növény esetében) [3] . Ellentétben a nem árva TRG-kkel, az árvákat általában egy nagyon szűk taxonra , többnyire egy fajra jellemző egyedinek tekintik .

Az evolúció klasszikus modellje a gének megkettőződésén, átrendeződésén és mutációján alapul a közös eredet gondolatával [4] [5] . Az árva gének abban különböznek egymástól, hogy vonal-specifikusak, és nincs ismert gyakori duplikációjuk és permutációjuk a specifikus fajon vagy kládon kívül [6] . Az árva gének számos mechanizmuson keresztül keletkezhetnek, például horizontális géntranszfer , duplikáció és gyors divergencia , valamint de novo génkódoló szekvenciából való megjelenése [2Ezek a folyamatok különböző sebességgel működhetnek rovarokban, főemlősökben és növényekben [7] . Viszonylag új eredetük ellenére az árva gének funkcionálisan fontos fehérjéket kódolhatnak [8] [9] .

Az árva gének tanulmányozásának története

Az árva géneket először az élesztő genom szekvenálási projekt 1996-os elindítása után fedezték fel [2] . Az árva gének az élesztő genomjának körülbelül 26%-át tették ki, de úgy vélték, hogy ezek a gének homológok alapján osztályozhatók, ha több genomot szekvenálnak [3] . Abban az időben a génduplikációt tartották a génevolúció egyetlen komoly modelljének [ 2 ] [4] [10] , majd csak néhány genomot szekvenáltak összehasonlítás céljából, így a kimutatható homológok hiányát tartották a legvalószínűbbnek a szekvenálás hiánya miatt. adatok, és nem -ból, a homológia valódi hiánya miatt [3] . Az árva gének azonban továbbra is léteztek, ahogy a szekvenált genomok száma növekedett [3] [11] , ami végül arra a következtetésre vezetett, hogy az árva gének minden genomban mindenütt jelen vannak [2] . Az elárvult gének százalékos arányára vonatkozó becslések nagymértékben különböznek fajok és tanulmányok között; 10-30% egy gyakran idézett adat [3] .

Az árva gének tanulmányozása nagyrészt a századforduló táján jelent meg. 2003-ban egy briggsae és rokon fajok vizsgálata több mint 2000 gént hasonlított össze [3 Feltételezésük szerint ezek a gének túl gyorsan fejlődhettek ahhoz, hogy kimutathassák őket, és ezért nagyon gyors evolúció helyszínei [3] . 2005-ben Wilson 122 baktériumfajt vizsgált meg, hogy megpróbálja kideríteni, hogy sok fajban sok árva gén valóban árva gén [11] . A tanulmány kimutatta, hogy ez helyes feltevés volt, és szerepet játszott a baktériumok alkalmazkodásában. A taxonómiailag korlátozott gének meghatározását azért vezették be az irodalomba, hogy az árva gének kevésbé tűnjenek "titokzatosnak" [11] .

2008-ban kiderült, hogy egy funkcionálisan megalapozott élesztőfehérje , a BSC4 de olyan nem kódoló szekvenciákból származik, amelyek homológiája még mindig megtalálható a testvérfajokban [ 12

2009-ben egy, a belső biológiai hálózatot szabályozó árva gént fedeztek fel : az Arabidopsis thaliana QQS árva génje befolyásolja a keményítő anyagcserét [13] . A QQS árva fehérje kölcsönhatásba lép az NF-YC4 konzervált transzkripciós faktorral , ami megmagyarázza a fehérjetermelés növekedését, amely akkor következik be, amikor a QQS gént géntechnológiával más növényfajokba juttatják [14] .

2011-ben átfogó genomikai vizsgálatot végeztek az árva gének növényekben való eloszlásáról és evolúciós eredetéről az Arabidopsis thaliana modellnövényen [15] .

Az árva gének azonosítása

A gének feltételesen árvaként sorolhatók be, ha a közeli fajokban nem találhatók ortológ fehérjék [7] .

A homológiát jelző nukleotid- vagy fehérjeszekvenciák hasonlóságának (azaz a közös származásból eredő hasonlóságnak) kiértékelésére használt egyik módszer a Basic Local Alignment Search (BLAST) eszköz . A BLAST segítségével gyorsan kereshet szekvenciákat nagy adatbázisokban [16] [17] . A modellezés azt sugallja, hogy bizonyos körülmények között a BLAST alkalmas egy gén távoli rokonainak kimutatására [18] . A BLAST azonban könnyen kihagyhatja a rövid és gyorsan fejlődő géneket [19] .

Az árva gének annotációjával kapcsolatos homológia szisztematikus felfedezését filosztratigráfiának[20] . A filosztratigráfia létrehoz egy filogenetikai fát , amelyben a fő faj összes génje és más fajok génjei közötti homológiát számítják ki. A gén legkorábbi közös őse határozza meg a gén korát vagy filogenetikai rétegét . Az „árva” kifejezést néha csak a legfiatalabb filogenetikai rétegre használják, amely csak egy fajt tartalmaz, de ha tág értelemben taxonómiailag korlátozott génként értelmezzük , akkor a legrégebbi filogenetikai rétegre vonatkozhat, amely egy nagyobb kládban elárvult gént tartalmaz .

Honnan származnak az árva gének?

Az árva gének sokféle forrásból származnak, elsősorban de novo előfordulásonduplikáción és gyors divergencián , valamint horizontális géntranszferen keresztül [2

De novo megjelenés

A nem kódoló szekvenciákból folyamatosan novo jelennek meg új árva gének [ 21Ezek az új gének elég hasznosak lehetnek ahhoz, hogy szelekcióval rögzítsék őket . Vagy ami valószínűbb, ismét nem genetikai háttérbe vonulnak vissza. Ez utóbbi lehetőséget támasztják alá a Drosophilában végzett vizsgálatok, amelyek azt mutatják, hogy a fiatal gének nagyobb valószínűséggel halnak ki [22] .

Valamikor úgy gondolták, hogy a de novo gének megjelenése szinte lehetetlen a funkcionális polipeptidek létrehozásának és fenntartásának összetett és potenciálisan törékeny bonyolultsága miatt [10] , de az elmúlt 10 év során végzett vizsgálatok számos példát találtak de novo génekre . amelyek némelyike ​​fontos biológiai folyamatokhoz kapcsolódik, különösen az állatok heréihez. De novo géneket gombákban és növényekben is találtak [12] [23] [24] [5] [25] [26] [27] .

Fiatal árva gének esetében homológ , nem kódoló DNS-szekvenciák néha megtalálhatók a testvér taxonokban, amit általában erős bizonyítéknak tekintenek a de novo eredetre . Azonban a de novo eredet hozzájárulása a régebbi eredetű taxonómiailag korlátozott génekhez, különösen a génduplikáció evolúciójának hagyományos elméletével kapcsolatban, továbbra is vitatott [28] [29] .

Duplikáció és eltérés

Az árva gének duplikációs és divergenciájának modellje azt feltételezi, hogy valamilyen duplikációs vagy divergenciás esemény eredményeként új gén jön létre, és egy gyors evolúciós periódus következik be, amikor az eredetileg megkettőzött génnel minden kimutatható hasonlóság elveszik [2] . Bár ez a magyarázat összhangban van a duplikációs mechanizmusok jelenlegi felfogásával [2] , a kimutatható hasonlóság elvesztéséhez szükséges mutációk száma elég nagy ahhoz, hogy ritka esemény legyen [2] [18] , és az evolúciós mechanizmus, amellyel a génkettőzödés létrejöhet. elszigetelt és így gyorsan eltérnek továbbra is tisztázatlan [2] [30] .

Vízszintes génátvitel

Az árva gének keletkezésének egy másik magyarázata a horizontális géntranszfernek nevezett megkettőzési mechanizmushoz kapcsolódik , ahol az eredeti megkettőzött gén egy különálló, ismeretlen vonalból[2] . Az árva gének eredetének ez a magyarázata különösen fontos a baktériumokban és az archaeákban , ahol gyakori a horizontális génátvitel.

Egy fehérje jellemzői

Az árva gének általában nagyon rövidek (körülbelül hatszor rövidebbek, mint az érett gének), és néhányuk gyengén expresszálódik , szövetspecifikus, és könnyebben használható kodonok és aminosav- összetétel [31] . Az árva gének általában belsőleg rendezetlen fehérjéket kódolnak [ ]33] [34] , bár az egyik legjobban jellemzett árva génben találtak valamilyen struktúrát [ 35] A több tízezer vagy speciális anyagcsere közül amelyeket eddig jellemeztek, egyik sem árva, vagy akár korlátozott eredetű; nyilvánvalóan több százmillió éves evolúció szükséges a katalízishez [31] .

Biológiai funkciók

Noha az árva gének elterjedtsége ismert, az árvák evolúciós szerepe, és ezen túlmenően fontosságuk még mindig vitatott. Az egyik elmélet szerint sok árva nem játszik evolúciós szerepet; A genomok nem funkcionális nyílt leolvasási kereteket (ORF) tartalmaznak , amelyek hamis polipeptid termékeket hoznak létre, amelyeket nem támogat a szelekció , ami azt jelenti, hogy nem valószínű, hogy megmaradnak a fajok között, és valószínűleg árva génekként találhatók meg [3] . Azonban számos más tanulmány kimutatta, hogy legalább néhány árva funkcionálisan fontos, és segíthet megmagyarázni az új fenotípusok megjelenését [2] [3] [11] [13] [14] [15] .

Jegyzetek

  1. ↑ Fischer, D.; Eisenberg, D. Családok keresése genomikus ORFans számára // Bioinformatika. - 1999. - szeptember 1. ( 15. évf. , 9. szám ). - S. 759-762 . - doi : 10.1093/bioinformatika/15.9.759 . — PMID 10498776 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tautz, D.; Domazet-Lošo, T. Az árva gének evolúciós eredete  (angol)  // Nature Reviews Genetics . - 2011. - 20. évf. 12 , sz. 10 . - P. 692-702 . doi : 10.1038 / nrg3053 . — PMID 21878963 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Khalturin, K; Hemmrich, G; Fraune, S; Augustine, R; Bosch, TC Több, mint árvák: fontosak-e a taxonómiailag korlátozott gének az evolúcióban? (eng.)  // Trends in Genetics : folyóirat. - Cell Press , 2009. - Vol. 25 , sz. 9 . - P. 404-413 . - doi : 10.1016/j.tig.2009.07.006 . — PMID 19716618 .
  4. ↑ 1 2 Ohno, Susumu. Evolúció génduplikációval . - Springer Science & Business Media , 2013. - ISBN 978-3-642-86659-3 .
  5. ↑ 1 2 Zhou, Qi; Zhang, Guojie; Zhang, Yue; Xu, Shiyu; Zhao, Ruoping; Zhan, Zubing; Li, Xin; Ding, Yun; Yang, Shuang. A Drosophila új gének eredetéről   // Genom Research. - 2008. - szeptember 1. ( 18. évf. , 9. sz.). - P. 1446-1455 . - doi : 10.1101/gr.076588.108 . — PMID 18550802 .
  6. ↑ Toll-Riera, M.; Bosch, N.; Bellora, N.; Castelo, R.; Armengol, L.; Estivill, X.; Alba, MM . Főemlős árva gének eredete  : összehasonlító genomikai megközelítés  // Molekuláris Biológia és Evolúció : folyóirat. - Oxford University Press , 2009. - Vol. 26 , sz. 3 . - P. 603-612 . - doi : 10.1093/molbev/msn281 . — PMID 19064677 .
  7. ↑ 1 2 Wissler, L.; Gadau, J.; Simola, D. F.; Helmkampf, M.; Bornberg-Bauer, E. Az árva gén megjelenésének mechanizmusai és dinamikája rovargenomokban   // Genome Biology and Evolution : folyóirat. - 2013. - Kt. 5 , sz. 2 . - P. 439-455 . - doi : 10.1093/gbe/evt009 . — PMID 23348040 .
  8. ↑ Reinhardt, Josephine A.; Wanjiru, Betty M.; Brant, Alicia T.; Saelao, Perot; Begun, David J.; Jones, Corbin D. De Novo A Drosophilában élő ORF-ek fontosak a szervezeti fittség szempontjából, és gyorsan fejlődtek a korábban nem kódoló szekvenciákból  //  PLoS Genet : folyóirat. - 2013. - október 17. ( 9. köt. , 10. sz.). — P. e1003860 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003860 . — PMID 24146629 .
  9. ↑ Suenaga, Yusuke; Islam, S. M. Rafiqul; Alagu, Jennifer; Kaneko, Yoshiki; Kato, Mamoru; Tanaka, Yukichi; Kawana, Hidetada; Hossain, Shamim; Matsumoto, Daisuke. Az NCYM, a MYCN cisz-antiszensz génje egy de Novo kifejlődött fehérjét kódol, amely gátolja a GSK3β-t, ami a MYCN stabilizálását eredményezi humán neuroblasztómákban   // PLoS Genet : folyóirat. - 2014. - január 2. ( 10. évf . 1. sz .). - P. e1003996 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003996 . — PMID 24391509 .
  10. ↑ 1 2 Jacob, F. Evolution and tinkering  (angol)  // Science : Journal. - 1977. - június 10. ( 196. évf. , 4295. sz.). - P. 1161-1166 . - doi : 10.1126/science.860134 . - . — PMID 860134 .
  11. ↑ 1 2 3 4 Wilson, G.A.; Bertrand, N.; Patel, Y.; Hughes, JB; Feil, EJ; Field, D. Az árvák mint taxonómiailag korlátozott és ökológiailag fontos gének  (angol)  // Microbiology : Journal. - 2005. - 20. évf. 151. sz . 8 . - P. 2499-2501 . - doi : 10.1099/mic.0.28146-0 . — PMID 16079329 .
  12. ↑ 1 2 Cai, Jing; Zhao, Ruoping; Jiang, Huifeng; Wang, Wen. De Novo Egy új fehérjekódoló gén eredete Saccharomyces cerevisiae-ben  (angolul)  // Genetika : folyóirat. - 2008. - május 1. ( 179. évf. , 1. sz.). - P. 487-496 . - doi : 10.1534/genetika.107.084491 . — PMID 18493065 .
  13. ↑ 1 2 Li, L.; Foster, C. M.; Gan, Q.; Nettleton, D.; James, M. G.; Myers, A. M.; Wurtele, ES Az új QQS fehérje azonosítása az Arabidopsis levelek keményítőanyagcsere-hálózatának összetevőjeként  //  The Plant Journal : folyóirat. - 2009. - 1. évf. 58 , sz. 3 . - P. 485-498 . - doi : 10.1111/j.1365-313X.2009.03793.x . — PMID 19154206 .
  14. ↑ 1 2 Li, L; Zheng, W; Zhu, Y; Igen, H; Tang, B; Arendsee, Z; Jones, D; Li, R; Ortiz, D; Zhao, X; Du, C; Nettleton, D; Scott, P; Salas-Fernandez, M; Yin, Y; Wurtele, ES A QQS árva gén NF-YC kölcsönhatásokon keresztül szabályozza a szén és nitrogén megoszlását a fajok között  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States  : Journal  . - 2015. - Kt. 112 , sz. 47 . - P. 14734-14739 . - doi : 10.1073/pnas.1514670112 . - . — PMID 26554020 .
  15. ↑ 1 2 Donoghue, MTA; Keshavaiah, C.; Swamidatta, S. H.; Spillane, C. A Brassicaceae-specifikus gének evolúciós eredete Arabidopsis thaliana-ban  (angol)  // BioMed Central : folyóirat. - 2011. - 20. évf. 11 , sz. 1 . — 47. o . - doi : 10.1186/1471-2148-11-47 . — PMID 21332978 .
  16. ↑ Altschul, S. Gapped BLAST és PSI-BLAST: a fehérjeadatbázis-kereső programok új generációja  //  Nucleic Acids Research : folyóirat. - 1997. - szeptember 1. ( 25. évf. , 17. sz.). - P. 3389-3402 . doi : 10.1093 / nar/25.17.3389 . — PMID 9254694 .
  17. ↑ NCBI BLAST honlap . Letöltve: 2020. szeptember 8. Az eredetiből archiválva : 2020. augusztus 21.
  18. ↑ 12 Alba , M; Castresana, J. A BLAST fehérje alapján végzett homológiakeresésekről és a gének korának jellemzéséről  //  BioMed Central : folyóirat. - 2007. - Vol. 7 . — 53. o . - doi : 10.1186/1471-2148-7-53 . — PMID 17408474 .
  19. ↑ Moyers, B.A.; Zhang, J. A  filosztratigráfiai torzítás hamis mintákat hoz létre a genom evolúciójában  // Molecular Biology and Evolution : folyóirat. – Oxford University Press , 2014. – október 13. ( 32. kötet , 1. szám ). - P. 258-267 . - doi : 10.1093/molbev/msu286 . — PMID 25312911 .
  20. ↑ Domazet-Lošo, Tomislav; Brajkovic, Josip; Tautz, Diethard. Filosztratigráfiai megközelítés a metazoan vonalak főbb adaptációinak genomikai történetének feltárására   // Trends in Genetics : folyóirat. - Cell Press , 2007. - január 11. ( 23. kötet , 11. szám ). - P. 533-539 . - doi : 10.1016/j.tig.2007.08.014 . — PMID 18029048 .
  21. ↑ McLysaght, Aoife; Guerzoni, Daniele. Új gének nem kódoló szekvenciából: a de novo fehérjét kódoló gének szerepe az eukarióta evolúciós innovációban  (angol)  // Philosophical Transactions of the Royal Society B  : folyóirat. - 2015. - augusztus 31. ( 370. évf. , 1678. sz.). — P. 20140332 . - doi : 10.1098/rstb.2014.0332 . — PMID 26323763 .
  22. ↑ Palmieri, Nicola; Kosiol, Carolyn; Schlotterer, Christian. Az árva gének életciklusa  (angolul)  // eLife  : folyóirat. - 2014. - február 19. ( 3. köt. ). — P.e01311 . - doi : 10.7554/eLife.01311 . — PMID 24554240 .
  23. ↑ Zhao, Li; Saelao, Perot; Jones, Corbin D.; Begun, David J. A de Novo gének eredete és elterjedése a Drosophila melanogaster populációkban  (angol)  // Science : Journal. - 2014. - február 14. ( 343. évf. , 6172. sz.). - P. 769-772 . - doi : 10.1126/tudomány.1248286 . - . — PMID 24457212 .
  24. ↑ Levine, Mia T.; Jones, Corbin D.; Kern, Andrew D.; Lindfors, Heather A.; Begun, David J. A Drosophila melanogaster nem kódoló DNS-éből származó új gének gyakran X-hez kötődnek, és herékre torzított expressziót mutatnak  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States  : Journal  . - 2006. - június 27. ( 103. évf. , 26. sz.). - P. 9935-9939 . - doi : 10.1073/pnas.0509809103 . - . — PMID 16777968 .
  25. ↑ Heinen, Tobias JAJ; Staubach, Fabian; Hamming, Daniela; Tautz, Diethard. Új gén megjelenése intergénikus régióból  (angol)  // Current Biology  : folyóirat. - Cell Press , 2009. - szeptember 29. ( 19. évf. , 18. szám ). - P. 1527-1531 . - doi : 10.1016/j.cub.2009.07.049 . — PMID 19733073 .
  26. ↑ Chen, Sidi; Zhang, Yong E.; Hosszú, Manywan. Az új gének a Drosophilában gyorsan esszenciálissá válnak  (angol)  // Science : Journal. - 2010. - december 17. ( 330. évf. , 6011. sz.). - P. 1682-1685 . - doi : 10.1126/tudomány.1196380 . - Irodai . — PMID 21164016 .
  27. ↑ Silveira AB, Trontin C., Cortijo S., Barau J., Del-Bem LE, Loudet O., Colot V., Vincentz M. Extensive Natural Epigenetic Variation at a De Novo Originated Gene  //  PLoS Genetics  : folyóirat. - 2013. - Kt. 9 , sz. 4 . — P.e1003437 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003437 . — PMID 23593031 .
  28. ↑ Neme, Rafik; Tautz, Diethard. Evolution: Dynamics of De Novo Gene Emergence  (angol)  // Current Biology  : folyóirat. - Cell Press , 2014. - március 17. ( 24. kötet , 6. szám ). - P.R238-R240 . - doi : 10.1016/j.cub.2014.02.016 . — PMID 24650912 .
  29. ↑ Moyers, Bryan A.; Zhang, Jianzhi. Filosztratigráfiai bizonyítékok értékelése a genom evolúciójában a széles körben elterjedt de novo génszületésre  //  Molekuláris Biológia és Evolúció : folyóirat. - Oxford University Press , 2016. - január 11. ( 33. kötet , 5. szám ). - P. 1245-1256 . - doi : 10.1093/molbev/msw008 . — PMID 26758516 .
  30. ↑ Lynch, Michael; Katju, Vaishali.  A génduplikátumok megváltozott evolúciós pályái  // Trends in Genetics : folyóirat. - Cell Press , 2004. - november 1. ( 20. kötet , 11. szám ). - P. 544-549 . - doi : 10.1016/j.tig.2004.09.001 . — PMID 15475113 .
  31. ↑ 1 2 Arendsee, Zebulun W.; Li, Ling; Wurtele, Eve Syrkin. Felnőttkor: árva gének növényekben  (eng.)  // Trends in Plant Science : folyóirat. - Cell Press , 2014. - November ( 19. évf. , 11. szám ). - P. 698-708 . - doi : 10.1016/j.tplants.2014.07.003 . — PMID 25151064 .
  32. ↑ Mukherjee, S.; Panda, A.; Ghosh, TC Az árva gének evolúciós jellemzőinek és funkcionális következményeinek tisztázása Leishmania majorban  // Infection, Genetics and Evolution  : Journal  . - 2015. - június ( 32. köt. ). - P. 330-337 . - doi : 10.1016/j.meegid.2015.03.031 . — PMID 25843649 .
  33. ↑ Wilson, Benjamin A.; Foy, Scott G.; Neme, Rafik; Masel, Joanna. A fiatal gének nagyon rendezetlenek, amint azt a de novo génszületés preadaptációs hipotézise megjósolja  //  Nature Ecology & Evolution : folyóirat. - 2017. - április 24. ( 1. köt . 6. sz .). - P. 0146-0146 . - doi : 10.1038/s41559-017-0146 . — PMID 28642936 .
  34. ↑ Willis, Sara; Masel, Joanna. A génszületés hozzájárul az átfedő gének által kódolt strukturális zavarokhoz  //  Genetika: folyóirat. - 2018. - július 19. ( 210. évf. , 1. sz.). - P. 303-313 . - doi : 10.1534/genetika.118.301249 . — PMID 30026186 .
  35. ↑ Bungard, Dixie; Copple, Jacob S.; Yan, Jing; Chhun, Jimmy J.; Kumirov, Vlad K.; Foy, Scott G.; Masel, Joanna; Wysocki, Vicki H.; Cordes, Matthew HJ Egy természetes de Novo-fejlődésű fehérje hajtogathatósága // Szerkezet. - 2017. - november ( 25. évf. , 11. szám ). — S. 1687–1696.e4 . - doi : 10.1016/j.str.2017.09.006 . — PMID 29033289 .