13.7:

13.7: Exon-Rekombination

Exon Recombination

JoVE Core
Molecular Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Molecular Biology

Exon Recombination

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

13.6: Gene Duplication and Divergence

13.8: Comparing Copy Number Variations and SNPs

3,561 Views

•

02:32 min

•

April 07, 2021

Overview

Die Evolution neuer Gene ist entscheidend für die Artbildung. Die Exon-Rekombination, auch Exon-Shuffling oder Domain-Shuffling genannt, ist ein wichtiges Mittel zur Neubildung von Genen. Es wird bei Wirbeltieren, Wirbellosen und bei einigen Pflanzen wie Kartoffeln und Sonnenblumen beobachtet. Während der Exon-Rekombination rekombinieren Exons von gleichen oder unterschiedlichen Genen und produzieren neue Exon-Intron-Kombinationen, die sich zu neuen Genen entwickeln können.

Das Mischen von Exons erfolgt nach den “Spleißrahmenregeln”: Jedes Exon hat drei Leserahmen. Die eingehenden Exons können an einem der drei Leserahmen rekombinieren und verbinden und Frameshift-Mutationen verursachen. Daher sind nicht alle Rekombinationsereignisse nützlich. Einige können sogar zu einem vorzeitigen Stopp-Codon und unreifem Protein führen.

Exon-Shuffling im menschlichen Genom

Neben der Duplikation und Divergenz von Genen wird das Exon-Shuffling auf die Evolution mehrerer menschenspezifischer Gene zurückgeführt. Vor etwa 25 Millionen Jahren durchlief beispielsweise ein Gen namens MCH (Melanin-konzentrierendes Hormon) bei den frühen Primaten eine Exon-Rekombination durch Retrotransposition. Es entstanden de novo Intron-Exon-Grenzen, die sich später zum Hominidae-spezifischen konservierten Gen PMCHL1 entwickelten – obwohl es sich um ein Pseudogen handelt, wird die Antisense-RNA im menschlichen Gehirn exprimiert. Da das ursprüngliche MCH-Gen für ein Neuropeptid kodierte, das am Ausgleich des Energiebedarfs und des Körpergewichts bei Nagetieren beteiligt ist, wird erwartet, dass das PMCHL-1 ähnliche Funktionen hat.

Die illegitime Rekombination (IR) ist einer der am häufigsten beobachteten Mechanismen der Exon-Rekombination oder des Exon-Shufflings. IR führt zur Duplikation von Exons; Dies wurde bei mehreren menschlichen Krankheiten wie Duchenne- und Becker-Muskeldystrophie, familiärer Hypercholesterinämie, Lesch-Nyhan-Syndrom, Hämophilie und Lipoprotein-Lipase-Mangel beobachtet.

Transcript

Eukaryotische Gene bestehen aus abwechselnden Blöcken von proteinkodierenden Sequenzen, die Exons genannt werden, und nichtkodierenden Sequenzen, die Introns genannt werden.

Die Exon-Rekombination ist ein Prozess, bei dem die Exons aus demselben oder unterschiedlichen Genen rekombinieren, um neuartige Kombinationen von Exon-Intron-Sequenzen zu erzeugen, die sich zu neuen Genen entwickeln können.

Die Exon-Rekombination kann durch nicht-homologe Rekombination oder Retrotransposition vermittelt werden.

Bei nicht-homologen oder illegitimen Rekombinationen können DNA-Stränge ohne Sequenzähnlichkeit rekombinieren und eine neue Genstruktur erzeugen.

Die chronische granulomatöse Erkrankung – eine genetische Störung des Immunsystems ist ein gutes Beispiel. Viele Patienten mit dieser Krankheit haben eine seltene Mutation im phox-Gen, das für das Enzym NADPH-Oxidase kodiert.

Die Wildtyp-NADPH-Oxidase produziert bei der Infektion reaktive Sauerstoffspezies wie Superoxid und hilft bei der phagozytenvermittelten Abtötung der Infektionserreger.

In seltenen Fällen rekombinieren die nicht-homologen Sequenzen zwischen den Exons 8 und 11 des phox-Gens, was zu einer Duplikation der Exons 9 und 10 führt. Dies führt zu einer verminderten Aktivität des Enzyms NADPH-Oxidase. Das beeinträchtigte Enzym erzeugt nicht genügend reaktive Sauerstoffspezies, um die bakterielle Infektion zu beseitigen, was zu einem Granulom oder einer Aggregation von Makrophagen und zugehörigen Immunzellen führt.

Die Exon-Rekombination aufgrund von Retrotransposition kann die Evolution des Jingwei-Gens in der afrikanischen Drosophila am besten erklären.

Vor etwa 2,5 Millionen Jahren wurde ein Teil der Adh-mRNA in DNA rekribiert und mit Exons des Ynd-Gens rekombiniert, wodurch ein neues Gen namens Jingwei entstand.

Das Ynd-Gen ist für die Entwicklung der Hoden in Drosophila verantwortlich und das Adh-Gen kodiert für die Alkoholdehydrogenase. Das neue Gen Jingwei kodiert ein Protein mit zwei Domänen – eine von Ynd und die andere von Adh.

Daher wird das Protein Jingwei in der Drosophila testis exprimiert und ist für die Hormon- und Pheromonbiosynthese verantwortlich.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

Exon-Rekombination Exon-Shuffling Domain-Shuffling Neubildung von Genen Spleißrahmenregeln Frameshift-Mutationen vorzeitiges Stoppcodon unreifes Protein humanspezifische Gene Retrotransposition De-novo-Intron-Exon-Grenzen Pseudogen Antisense-RNA Neuropeptid