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1970年の大野の独創的な研究は、遺伝子の重複と分岐の考えを広めました。DNA配列の比較研究により、細菌、古細菌、真核生物の遺伝子の大部分が遺伝子の重複と分岐によって生成されたことが明らかになり、進化における遺伝子の重要な役割が示されています。
遺伝子の複製されたコピーはパラログと呼ばれます。 同様…
遺伝子重複とは、遺伝子をコードするDNA領域が重複し、同じゲノム内に自身のコピーを追加で作るプロセスです。これらの遺伝子の複製コピー(パラログと呼ばれます)は、後で次のいずれかの方法で変異および分岐する可能性があります。
1つ目は、偽遺伝子の形成です。ここでは、遺伝子パラログの1つが有害な突然変異を獲得し、偽遺伝子と呼ばれる機能しないコピーに変わる可能性があります。
2つ目は、両方のパラログが異なるタンパク質コードドメインまたはエクソンの突然変異を獲得し、元の遺伝子機能をそれらの間で分割するサブ機能化です。しかし、2つのパラログラム遺伝子のタンパク質産物は互いに補完し合い、本来の遺伝子機能を示します。
例えば、原始的な魚類や海洋動物では、一本鎖のグロビンタンパク質が血液中の酸素運搬分子として機能していました。
進化の過程で、グロビン遺伝子は複製され、αグロビンタンパク質とβグロビンタンパク質をコードする2つのわずかに異なる遺伝子にサブ機能化され、それらは結合して、現代のほとんどの脊椎動物に見られる4つのサブユニットを持つヘモグロビン分子を形成します。
3つ目は、新機能化です。ここでは、1つのパラログが、新しい遺伝子の進化につながる可能性のある新しい有利な突然変異を獲得します。対照的に、他のパラログは元の機能を保持しています。
例えば、ヒトのβグロビン遺伝子は、複製して突然変異を獲得し、ヒトの胎児にのみ発現する胎児βグロビンと呼ばれる新しい遺伝子を産生しました。しかし、出生後すぐに、βグロビン遺伝子がβグロビンタンパク質の産生を引き継ぎます。
人間の三色視覚の進化は、新機能化のもう一つの興味深い例です。現代の類人猿が進化するずっと前に、初期の霊長類はブルーオプシン遺伝子とグリーンオプシン遺伝子の存在により二色性の視力を持っていました。
その後、グリーンオプシン遺伝子は複製され、新規のレッドオプシン遺伝子に新機能化されました。
したがって、旧世界のサル、類人猿、および人間のような、重複イベントの後に進化した種は、三色視力を付与する3つのオプシン遺伝子を持っています。
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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.