2.6
Duplicazione e divergenza genica
Il lavoro fondamentale di Ohno nel 1970 rese popolare l'idea della duplicazione e della divergenza dei geni. Studi di confronto delle sequenze di DNA…
La duplicazione genica è un processo in cui una regione del DNA che codifica per un gene si duplica, creando copie aggiuntive di se stesso all'interno dello stesso genoma. Queste copie duplicate del gene, chiamate paraloghi, possono successivamente mutare e divergere in uno dei seguenti modi.
Il primo è la formazione degli pseudogeni. Qui, uno dei paraloghi genici può acquisire mutazioni deleterie e trasformarsi in una copia non funzionale chiamata pseudogene.
La seconda è la sub-funzionalizzazione in cui entrambi i paraloghi acquisiscono mutazioni in diversi domini codificanti proteine o esoni, suddividendo così la funzione genica originale tra di loro. Tuttavia, i prodotti proteici dei due geni paraloghi si completano a vicenda e mostrano la funzione genica originale.
Ad esempio, nei pesci primitivi e negli animali marini, una proteina globinica a catena singola fungeva da molecola che trasportava l'ossigeno nel sangue.
Nel corso dell'evoluzione, il gene della globina si è duplicato e subfunzionalizzato in due geni leggermente diversi che codificano per le proteine della α e della β-globina, che si associano per formare la molecola dell'emoglobina con 4 subunità presenti nella maggior parte dei vertebrati odierni.
Il terzo è la neo-funzionalizzazione. Qui, un paralogo acquisisce nuove e vantaggiose mutazioni che possono portare all'evoluzione di un nuovo gene. Al contrario, l'altro paralogo conserva la funzione originale.
Ad esempio, il gene della β-globina umana ha duplicato e acquisito mutazioni per produrre un nuovo gene chiamato β-globina fetale che è espresso esclusivamente nel feto umano. Tuttavia, subito dopo la nascita, il gene della β-globina assume la produzione delle proteine della β-globina.
L'evoluzione della visione tricolore nell'uomo è un altro interessante esempio di neofunzionalizzazione. Molto prima dell'evoluzione delle scimmie moderne, i primi primati avevano una visione dicromatica a causa della presenza dei geni dell'opsina blu e verde.
Successivamente, il gene dell'opsina verde si è duplicato e neo-funzionalizzato in un nuovo gene dell'opsina rossa.
Pertanto, le specie che si sono evolute dopo l'evento di duplicazione, come le scimmie del vecchio mondo, le scimmie e gli esseri umani, hanno tre geni opsinici che conferiscono una visione tricolore.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is gene duplication and how does it occur in genomes?
Gene duplication is a process where a DNA region coding for a gene duplicates, creating additional copies within the same genome. Duplication can arise through unequal crossing over during meiosis, replication slippage where DNA polymerase dissociates and realigns incorrectly, or retrotransposition where mRNA is reverse transcribed into DNA copies called retrogenes that reinsert into the genome.
Q2: What are paralogs and how do they relate to gene families?
Paralogs are duplicated copies of genes with similar sequences and functions. When paralogs share enough similarity, they form a gene family. Gene families are widespread across species; for example, the trypsin gene family in D. melanogaster has over 111 members, while the olfactory receptor gene family in mammals contains around 1000 member genes.
Q3: How does sub-functionalization differ from neo-functionalization after gene duplication?
Sub-functionalization occurs when both paralogs acquire mutations in different protein domains, partitioning the original gene function between them while their protein products complement each other. Neo-functionalization happens when one paralog acquires novel mutations leading to a new gene function, while the other retains the original function, as seen with fetal β-globin evolution.
Q4: What is a pseudogene and how does it form from gene duplication?
A pseudogene is a nonfunctional copy of a gene that forms when one paralog acquires deleterious mutations after duplication. Pseudogenes commonly arise from retrotransposition, where inserted retrogenes lack promoters and regulatory elements necessary for transcription, causing them to lose function over time.
Q5: How did hemoglobin evolution demonstrate sub-functionalization in vertebrates?
In primitive fish and marine animals, a single globin gene encoded oxygen-carrying proteins. During evolution, the globin gene duplicated and sub-functionalized into α-globin and β-globin genes. These proteins associate to form hemoglobin with four subunits found in modern vertebrates, with each protein complementing the other to maintain oxygen transport function.
Q6: What role did gene duplication play in the evolution of primate color vision?
Early primates had dichromatic vision from Blue and Green opsin genes. The Green opsin gene later duplicated and neo-functionalized into a novel Red opsin gene. Species evolving after this duplication, including old world monkeys, apes, and humans, gained three opsin genes enabling tricolor vision.
Q7: What is whole-genome duplication and how does it differ from single gene duplication?
Whole-genome duplication occurs when entire chromosomes or genomes duplicate, often through chromosome segregation failures during meiosis. Unlike single gene duplication, this creates multiple copies of all genes simultaneously. For example, wheat genomes have duplicated six times, creating a hexaploid organism with multiple chromosome sets.