Forældreløse gener

Orphan gener ( Orphan gene eller ORF ans, hovedsageligt i litteraturen om mikrobiologi) [1] [2]  er gener uden fundne homologer i andre evolutionære greneengelsk  [2] Forældreløse børn er en undergruppe af taksonomisk begrænsede gener (TRG'er), der er unikke på et bestemt taksonomisk niveau (for eksempel for en bestemt plante) [3] . I modsætning til ikke-forældreløse TRG'er anses forældreløse børn generelt for at være unikke for en meget smal taxon , for det meste en art.

Den klassiske evolutionsmodel er baseret på duplikering, omarrangering og mutation af gener med ideen om en fælles oprindelse [4] [5] . Forældreløse gener er forskellige ved, at de er afstamningsspecifikke uden kendt historie med almindelig duplikation og permutation uden for deres specifikke art eller klade [6] . Forældreløse gener kan opstå gennem en række forskellige mekanismer såsom horisontal genoverførsel , duplikering og hurtig divergens og de novo genfremkomst fra en -kodende sekvens [2Disse processer kan fungere med forskellige hastigheder hos insekter, primater og planter [7] . På trods af deres relativt nye oprindelse kan forældreløse gener kode for funktionelt vigtige proteiner [8] [9] .

Historien om studiet af forældreløse gener

Forældreløse gener blev først opdaget efter starten af ​​gærgenom- sekventeringsprojektet i 1996 [2] . Forældreløse gener tegnede sig for ca. 26% af gærgenomet, men man mente, at disse gener kunne klassificeres af homologer , hvis flere genomer blev sekventeret [3] . På det tidspunkt blev genduplikation betragtet som den eneste seriøse model for genudvikling [2] [4] [10] , derefter blev kun nogle få genomer sekventeret til sammenligning, så fraværet af påviselige homologer blev anset for mest sandsynligt på grund af manglende sekventering data, og ikke fra -for den sande mangel på homologi [3] . Imidlertid fortsatte forældreløse gener med at eksistere, da antallet af sekventerede genomer steg [3] [11] , hvilket til sidst førte til den konklusion, at forældreløse gener er allestedsnærværende i alle genomer [2] . Skøn over procentdelen af ​​forældreløse gener varierer meget mellem arter og undersøgelser; 10-30 % er et almindeligt citeret tal [3] .

Studiet af forældreløse gener opstod stort set omkring århundredeskiftet. I 2003 sammenlignede en undersøgelse af briggsae og beslægtede arter over 2.000 gener [3 De antog, at disse gener måtte have udviklet sig for hurtigt til at blive opdaget og derfor er steder med meget hurtig udvikling [3] . I 2005 undersøgte Wilson 122 bakteriearter for at forsøge at finde ud af, om et stort antal forældreløse gener hos mange arter faktisk er forældreløse gener [11] . Undersøgelsen viste, at dette var en korrekt antagelse og spillede en rolle i tilpasningen af ​​bakterier. Definitionen af ​​taksonomisk begrænsede gener blev introduceret i litteraturen for at få forældreløse gener til at virke mindre "mystiske" [11] .

I 2008 blev et funktionelt etableret gærprotein , BSC4, fundet at stamme novo fra ikke-kodende sekvenser, hvis homologi stadig blev fundet i søsterarter [ 12

I 2009 blev et forældreløst gen, der regulerer det interne biologiske netværk , opdaget : QQS forældreløse gen fra Arabidopsis thaliana påvirker stivelsesmetabolismen [13] . Det forældreløse protein QQS interagerer med den konserverede transkriptionsfaktor NF-YC4, hvilket forklarer stigningen i proteinproduktion, der forårsages, når QQS-genet introduceres gennem genteknologi i andre plantearter [14] .

I 2011 blev en omfattende genomisk undersøgelse af fordelingen og evolutionære oprindelse af forældreløse gener i planter udført på modelplanten Arabidopsis thaliana [15] .

Sådan identificeres forældreløse gener

Gener kan betinget klassificeres som forældreløse, hvis der ikke findes ortologe proteiner i nærliggende arter [7] .

En metode, der bruges til at evaluere ligheden af ​​nukleotid- eller proteinsekvenser, der indikerer homologi (dvs. lighed på grund af fælles herkomst), er værktøjet Basic Local Alignment Search (BLAST) . BLAST giver dig mulighed for hurtigt at søge efter sekvenser i store databaser [16] [17] . Modellering tyder på, at BLAST under visse forhold er egnet til at påvise fjerne slægtninge til et gen [18] . BLAST kan dog let gå glip af korte og hurtigt udviklende gener [19] .

Den systematiske opdagelse af homologi til annotering af forældreløse gener kaldes philostratigraphy[20] . Filostratigrafi genererer et fylogenetisk træ , hvor homologien mellem alle generne fra hovedarten og generne fra andre arter beregnes. Den tidligste fælles forfader til et gen bestemmer genets alder eller fylogenetiske stratum . Udtrykket "forældreløs" bruges nogle gange kun om det yngste fylogenetiske lag, der kun indeholder én art, men når det fortolkes bredt som et taksonomisk begrænset gen , kan det referere til alt undtagen det ældste fylogenetiske lag med et forældreløst gen i en større klade .

Hvor kommer forældreløse gener fra?

Forældreløse gener opstår fra en række forskellige kilder, overvejende gennem de novo-forekomst , og hurtig divergens og horisontal genoverførsel [2

De nye udseende

Nye forældreløse gener dukker konstant op novo fra ikke-kodende sekvenser [ 21Disse nye gener kan være nyttige nok til at blive fikset gennem selektion . Eller mere sandsynligt vil de igen trække sig tilbage til en ikke-genetisk baggrund. Sidstnævnte mulighed understøttes af undersøgelser i Drosophila , der viser, at unge gener er mere tilbøjelige til at dø ud [22] .

Man troede engang, at fremkomsten af ​​de novo gener var næsten umulig på grund af de komplekse og potentielt skrøbelige forviklinger ved at skabe og vedligeholde funktionelle polypeptider [10] , men undersøgelser i løbet af de sidste 10 år har fundet adskillige eksempler på de novo gener , hvoraf nogle er forbundet med vigtige biologiske processer, især testikelfunktion hos dyr. De novo gener er også blevet fundet i svampe og planter [12] [23] [24] [5] [25] [26] [27] .

For unge forældreløse gener kan homologe ikke-kodende DNA-sekvenser nogle gange findes i søstertaxa, hvilket generelt anses for stærkt bevis for de novo -oprindelse . Bidraget fra de novo -oprindelse til taksonomisk begrænsede gener af ældre oprindelse, især i forhold til den traditionelle teori om gentuplikationsevolution, forbliver kontroversielt [28] [29] .

Duplikering og divergens

Duplikations- og divergensmodellen for forældreløse gener antager, at et nyt gen skabes som et resultat af en eller anden duplikation eller divergensbegivenhed, og en periode med hurtig udvikling opstår, når al påviselig lighed med det oprindeligt duplikerede gen går tabt [2] . Selvom denne forklaring er i overensstemmelse med den nuværende forståelse af duplikationsmekanismer [2] , er antallet af mutationer , der kræves for at miste påviselig lighed, stort nok til at være en sjælden begivenhed [2] [18] og den evolutionære mekanisme, hvorved et genduplikat kan være isoleret og divergerer derfor hurtigt forbliver uklart [2] [30] .

Horisontal genoverførsel

En anden forklaring på, hvordan forældreløse gener opstår, har at gøre med en duplikationsmekanisme kaldet horisontal genoverførsel , hvor det originale duplikerede gen kommer fra en separat, ukendt afstamning[2] . Denne forklaring på oprindelsen af ​​forældreløse gener er især relevant i bakterier og archaea , hvor horisontal genoverførsel er almindelig.

Karakteristika for et protein

Forældreløse gener har en tendens til at være meget korte (ca. 6 gange kortere end modne gener), og nogle er svagt udtrykte , vævsspecifikke og nemmere at bruge kodoner og aminosyresammensætning [31] . Forældreløse gener har en tendens til at kode for iboende forstyrrede proteiner32]33] [34], selvom der er fundet en vis struktur i et af de bedst karakteriserede forældreløse gener [ 35] Af de titusindvis af eller specialiseret metabolisme , der er blevet karakteriseret til dato, er ingen forældreløse eller endda begrænset i oprindelse; åbenbart kræves der hundreder af millioner af års evolution til katalyse [31] .

Biologiske funktioner

Mens udbredelsen af ​​forældreløse gener er anerkendt, diskuteres den evolutionære rolle for forældreløse børn, og i forlængelse heraf deres betydning, stadig. En teori er, at mange forældreløse børn ikke spiller en evolutionær rolle; genomer indeholder ikke-funktionelle åbne læserammer (ORF'er) , som skaber falske polypeptidprodukter , der ikke understøttes af selektion , hvilket betyder, at det er usandsynligt, at de fortsætter mellem arter og sandsynligvis vil blive fundet som forældreløse gener [3] . Imidlertid har talrige andre undersøgelser vist, at i det mindste nogle forældreløse børn er funktionelt vigtige og kan hjælpe med at forklare fremkomsten af ​​nye fænotyper [2] [3] [11] [13] [14] [15] .

Noter

  1. ↑ Fischer, D.; Eisenberg, D. Finde familier for genomiske ORFans // Bioinformatik. - 1999. - 1. september ( bd. 15 , nr. 9 ). - S. 759-762 . - doi : 10.1093/bioinformatik/15.9.759 . — PMID 10498776 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tautz, D.; Domazet-Lošo, T. Den evolutionære oprindelse af forældreløse gener  (engelsk)  // Nature Reviews Genetics . - 2011. - Bd. 12 , nr. 10 . - S. 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 Mere end bare forældreløse børn: er taksonomisk begrænsede gener vigtige i evolutionen? (eng.)  // Trends in Genetics : journal. - Cell Press , 2009. - Vol. 25 , nr. 9 . - S. 404-413 . - doi : 10.1016/j.tig.2009.07.006 . — PMID 19716618 .
  4. ↑ 1 2 Ohno, Susumu. Evolution ved genduplikering . - 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. Om oprindelsen af ​​nye gener i Drosophila   // Genome Research. - 2008. - 1. september ( bind 18 , nr. 9 ). - S. 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 Oprindelse af forældreløse primater  : en komparativ genomisk tilgang  // Molekylær biologi og evolution : journal. - Oxford University Press , 2009. - Vol. 26 , nr. 3 . - s. 603-612 . - doi : 10.1093/molbev/msn281 . — PMID 19064677 .
  7. ↑ 1 2 Wissler, L.; Gadau, J.; Simola, D.F.; Helmkampf, M.; Bornberg-Bauer, E. Mechanisms and Dynamics of Orphan Gene Emergence in Insect Genomes   // Genome Biology and Evolution : journal. - 2013. - Bd. 5 , nr. 2 . - S. 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 ORF'er i Drosophila er vigtige for organisk fitness og udviklede sig hurtigt fra tidligere ikke-kodende sekvenser  //  PLoS Genet : journal. - 2013. - 17. oktober ( bind 9 , nr. 10 ). — 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. NCYM, et Cis-Antisense-gen fra MYCN, koder for et De Novo-udviklet protein, der hæmmer GSK3β, hvilket resulterer i stabilisering af MYCN i humane neuroblastomer   // PLoS - genet : journal. - 2014. - 2. januar ( bind 10 , nr. 1 ). - P. e1003996 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003996 . — PMID 24391509 .
  10. ↑ 1 2 Jacob, F. Evolution and tinkering  (engelsk)  // Science : journal. - 1977. - 10. juni ( bd. 196 , nr. 4295 ). - S. 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. Orphans som taksonomisk begrænsede og økologisk vigtige gener  (engelsk)  // Microbiology : journal. - 2005. - Bd. 151 , nr. 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 Origination of a New Protein-Coding Gene in Saccharomyces cerevisiae  (engelsk)  // Genetics : journal. - 2008. - 1. maj ( bd. 179 , nr. 1 ). - S. 487-496 . - doi : 10.1534/genetics.107.084491 . — PMID 18493065 .
  13. ↑ 1 2 Li, L.; Foster, C.M.; Gan, Q.; Nettleton, D.; James, M.G.; Myers, A.M.; Wurtele, ES Identifikation af det nye protein QQS som en komponent i det metaboliske stivelsesnetværk i Arabidopsis-blade  //  The Plant Journal : journal. - 2009. - Bd. 58 , nr. 3 . - S. 485-498 . - doi : 10.1111/j.1365-313X.2009.03793.x . — PMID 19154206 .
  14. ↑ 1 2 Li, L; Zheng, W; Zhu, Y; Ja, 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 QQS forældreløse gen regulerer kulstof- og nitrogenfordeling på tværs af arter via NF-YC-interaktioner  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2015. - Bd. 112 , nr. 47 . - P. 14734-14739 . - doi : 10.1073/pnas.1514670112 . - . — PMID 26554020 .
  15. ↑ 1 2 Donoghue, MTA; Keshavaiah, C.; Swamidatta, S.H.; Spillane, C. Evolutionær oprindelse af Brassicaceae-specifikke gener i Arabidopsis thaliana  (engelsk)  // BioMed Central : journal. - 2011. - Bd. 11 , nr. 1 . — S. 47 . - doi : 10.1186/1471-2148-11-47 . — PMID 21332978 .
  16. ↑ Altschul, S. Gapped BLAST og PSI-BLAST: en ny generation af proteindatabase søgeprogrammer  //  Nucleic Acids Research : journal. - 1997. - 1. september ( bind 25 , nr. 17 ). - P. 3389-3402 . doi : 10.1093 / nar/25.17.3389 . — PMID 9254694 .
  17. ↑ NCBI BLAST hjemmeside . Hentet 8. september 2020. Arkiveret fra originalen 21. august 2020.
  18. ↑ 12 Alba , M; Castresana, J. Om homologisøgninger med protein BLAST og karakterisering af genernes alder  //  BioMed Central : journal. - 2007. - Bd. 7 . — S. 53 . - doi : 10.1186/1471-2148-7-53 . — PMID 17408474 .
  19. ↑ Moyers, B.A.; Zhang, J.  Phylostratigraphic Bias skaber falske mønstre af  genomevolution // Molekylærbiologi og evolution : journal. - Oxford University Press , 2014. - 13. oktober ( vol. 32 , nr. 1 ). - S. 258-267 . - doi : 10.1093/molbev/msu286 . — PMID 25312911 .
  20. ↑ Domazet-Lošo, Tomislav; Brajkovic, Josip; Tautz, Diethard. En fylostratigrafisk tilgang til at afdække den genomiske historie af store tilpasninger i metazoaniske slægter   // Trends in Genetics : journal. - Cell Press , 2007. - 11. januar ( vol. 23 , nr. 11 ). - S. 533-539 . - doi : 10.1016/j.tig.2007.08.014 . — PMID 18029048 .
  21. ↑ McLysaght, Aoife; Guerzoni, Daniele. Nye gener fra ikke-kodende sekvens: de novo proteinkodende geners rolle i eukaryotisk evolutionær innovation  (engelsk)  // Philosophical Transactions of the Royal Society B  : tidsskrift. - 2015. - 31. august ( bd. 370 , nr. 1678 ). — S. 20140332 . - doi : 10.1098/rstb.2014.0332 . — PMID 26323763 .
  22. ↑ Palmieri, Nicola; Kosiol, Carolyn; Schlotterer, Christian. Forældreløse geners livscyklus  (engelsk)  // eLife  : journal. - 2014. - 19. februar ( bind 3 ). — P.e01311 . - doi : 10.7554/eLife.01311 . — PMID 24554240 .
  23. ↑ Zhao, Li; Saelao, Perot; Jones, Corbin D.; Begun, David J. Origin and Spread of de Novo Genes in Drosophila melanogaster Populations  (engelsk)  // Science : journal. - 2014. - 14. februar ( bd. 343 , nr. 6172 ). - s. 769-772 . - doi : 10.1126/science.1248286 . - . — PMID 24457212 .
  24. ↑ Levine, Mia T.; Jones, Corbin D.; Kern, Andrew D.; Lindfors, Heather A.; Begynt, David J. Nye gener afledt af ikke-kodende DNA i Drosophila melanogaster er ofte X-bundne og udviser testis-biased ekspression  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2006. - 27. juni ( bind 103 , nr. 26 ). - P. 9935-9939 . - doi : 10.1073/pnas.0509809103 . - . — PMID 16777968 .
  25. ↑ Heinen, Tobias JAJ; Staubach, Fabian; Hamming, Daniela; Tautz, Diethard. Fremkomsten af ​​et nyt gen fra en intergenisk region  (engelsk)  // Current Biology  : tidsskrift. - Cell Press , 2009. - 29. september ( bd. 19 , nr. 18 ). - S. 1527-1531 . - doi : 10.1016/j.cub.2009.07.049 . — PMID 19733073 .
  26. ↑ Chen, Sidi; Zhang, Yong E.; Længe, ​​Manywan. Nye gener i Drosophila bliver hurtigt essentielle  (engelsk)  // Science : journal. - 2010. - 17. december ( bd. 330 , nr. 6011 ). - S. 1682-1685 . - doi : 10.1126/science.1196380 . - . — 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  : journal. - 2013. - Bd. 9 , nr. 4 . — P.e1003437 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003437 . — PMID 23593031 .
  28. ↑ Neme, Rafik; Tautz, Diethard. Evolution: Dynamics of De Novo Gene Emergence  (engelsk)  // Current Biology  : tidsskrift. - Cell Press , 2014. - 17. marts ( vol. 24 , nr. 6 ). - P.R238-R240 . - doi : 10.1016/j.cub.2014.02.016 . — PMID 24650912 .
  29. ↑ Moyers, Bryan A.; Zhang, Jianzhi. Evaluering af fylostratigrafisk bevis for udbredt de novo genfødsel i genomevolution  //  Molekylær biologi og evolution : journal. - Oxford University Press , 2016. - 11. januar ( vol. 33 , nr. 5 ). - S. 1245-1256 . - doi : 10.1093/molbev/msw008 . — PMID 26758516 .
  30. ↑ Lynch, Michael; Katju, Vaishali.  De ændrede evolutionære baner for genduplikater  // Trends in Genetics : journal. - Cell Press , 2004. - 1. november ( vol. 20 , nr. 11 ). - S. 544-549 . - doi : 10.1016/j.tig.2004.09.001 . — PMID 15475113 .
  31. ↑ 1 2 Arendsee, Zebulun W.; Li, Ling; Wurtele, Eve Syrkin. At blive voksen: forældreløse gener i planter  (eng.)  // Trends in Plant Science : journal. - Cell Press , 2014. - November ( vol. 19 , nr. 11 ). - S. 698-708 . - doi : 10.1016/j.tplants.2014.07.003 . — PMID 25151064 .
  32. ↑ Mukherjee, S.; Panda, A.; Ghosh, TC Belysning af evolutionære træk og funktionelle implikationer af forældreløse gener i Leishmania major  // Infection, Genetics and Evolution  : tidsskrift  . - 2015. - Juni ( bind 32 ). - S. 330-337 . - doi : 10.1016/j.meegid.2015.03.031 . — PMID 25843649 .
  33. ↑ Wilson, Benjamin A.; Foy, Scott G.; Neme, Rafik; Masel, Joanna. Unge gener er stærkt uordnede som forudsagt af præadaptationshypotesen om de novo genfødsel  //  Nature Ecology & Evolution : journal. - 2017. - 24. april ( bind 1 , nr. 6 ). - P. 0146-0146 . - doi : 10.1038/s41559-017-0146 . — PMID 28642936 .
  34. ↑ Willis, Sara; Masel, Joanna. Genfødsel bidrager til strukturel lidelse kodet af overlappende gener  //  Genetik: tidsskrift. - 2018. - 19. juli ( bd. 210 , nr. 1 ). - S. 303-313 . - doi : 10.1534/genetics.118.301249 . — PMID 30026186 .
  35. ↑ Bungard, Dixie; Coppel, Jacob S.; Yan, Jing; Chhun, Jimmy J.; Kumirov, Vlad K.; Foy, Scott G.; Masel, Joanna; Wysocki, Vicki H.; Cordes, Matthew HJ Foldbarhed af et naturligt De Novo Evolved Protein // Struktur. - 2017. - November ( bind 25 , nr. 11 ). — S. 1687–1696.e4 . - doi : 10.1016/j.str.2017.09.006 . — PMID 29033289 .