13.7:

13.7: Ricombinazione degli esoni

Exon Recombination

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Molecular Biology

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Exon Recombination

13.6: Gene Duplication and Divergence

13.8: Comparing Copy Number Variations and SNPs

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02:32 min

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April 07, 2021

Overview

The evolution of new genes is critical for speciation. Exon recombination, also known as exon shuffling or domain shuffling, is an important means of new gene formation. It is observed across vertebrates, invertebrates, and in some plants such as potatoes and sunflowers. During exon recombination, exons from the same or different genes recombine and produce new exon-intron combinations, which might evolve into new genes.

Exon shuffling follows “splice frame rules.” Each exon has three reading frames. The incoming exons can recombine and join at any one of the three reading frames and cause frameshift mutations. Therefore, not all recombination events are useful; some can even result in a premature stop codon and immature protein.

Exon shuffling in the human genome

Along with gene duplication and divergence, the exon shuffling is attributed to the evolution of several human-specific genes. For example, around 25 million years ago, a gene called MCH (Melanin-concentrating hormone) underwent exon recombination by retrotransposition in the early primates. It created de novo intron-exon boundaries, which later evolved into the Hominidae specific conserved gene PMCHL1 – although this is a pseudogene, the antisense RNA is expressed in the human brain. Since the original MCH gene encoded a neuropeptide involved in balancing energy requirements and body weight in rodents, the PMCHL-1 is expected to have similar functions.

Illegitimate recombination (IR) is one of the most commonly observed mechanisms of exon recombination or exon shuffling. IR leads to duplication of exons; this has been observed in several human diseases such as Duchenne and Becker muscular dystrophy, familial hypercholesterolemia, Lesch-Nyhan syndrome, hemophilia, and lipoprotein lipase deficiency.

Transcript

I geni eucariotici sono costituiti da blocchi alternati di sequenze codificanti proteine chiamate esoni e sequenze non codificanti chiamate introni.

La ricombinazione degli esoni è un processo in cui gli esoni dello stesso gene o di geni diversi si ricombinano per produrre nuove combinazioni di sequenze esone-introne, che potrebbero evolvere in nuovi geni.

La ricombinazione dell’esone può essere mediata dalla ricombinazione non omologa o dalla retrotrasposizione.

Durante la ricombinazione non omologa o illegittima, i filamenti di DNA senza somiglianza di sequenza possono ricombinarsi e produrre una nuova struttura genica.

La malattia granulomatosa cronica – una malattia genetica del sistema immunitario è un buon esempio. Molti pazienti affetti da questa malattia presentano una rara mutazione nel gene phox, che codifica per l’enzima NADPH ossidasi.

La NADPH ossidasi wild type produce specie reattive dell’ossigeno come il superossido in seguito all’infezione e aiuta nell’uccisione mediata dai fagociti degli agenti infettivi.

In rari casi, le sequenze non omologhe tra gli esoni 8 e 11 del gene phox si ricombinano, causando la duplicazione degli esoni 9 e 10. Ciò porta alla ridotta attività dell’enzima NADPH ossidasi. L’enzima compromesso non riesce a generare abbastanza specie reattive dell’ossigeno per eliminare l’infezione batterica che provoca il granuloma o l’aggregazione di macrofagi e cellule immunitarie associate.

La ricombinazione dell’esone dovuta alla retrotrasposizione può spiegare al meglio l’evoluzione del gene Jingwei nella Drosophila africana.

Circa 2,5 milioni di anni fa, una porzione dell’mRNA di Adh è stata trascritta inversamente in DNA e ricombinata con gli esoni del gene Ynd per dare origine a un nuovo gene chiamato Jingwei.

Il gene Ynd è responsabile dello sviluppo dei testicoli nella drosofila e il gene Adh codifica per l’alcol deidrogenasi. Il nuovo gene Jingwei codifica per una proteina con due domini: uno derivato da Ynd e l’altro da Adh.

Quindi, la proteina Jingwei è espressa nel testicolo della drosophila ed è responsabile della biosintesi di ormoni e feromoni.

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