2.6
1970년 오노의 획기적인 연구는 유전자 복제와 발산에 대한 아이디어를 대중화했습니다. DNA 서열 비교 연구에 따르면 박테리아, 고세균, 진핵생물에 있는 유전자의 상당 부분이 유전자 복제와 발산에 의해 생성되었으며, 이는 진화에서 유전자의 중요한 역할을 나타냅니다.
…
유전자 복제는 유전자를 암호화하는 DNA 영역이 복제되어 동일한 게놈 내에서 자신의 추가 사본을 만드는 과정입니다. 파라로그(paralog)라고 불리는 이 유전자의 복제된 사본은 나중에 다음 방법 중 하나로 돌연변이를 일으키고 갈라질 수 있다.
첫 번째는 유사유전자(pseudogenes)의 형성이다. 여기서 파라로그 유전자 중 하나는 유해한 돌연변이를 획득하여 유사유전자(pseudogene)라고 하는 기능하지 않는 사본으로 변할 수 있습니다.
두 번째는 하위 기능화(sub-functionalization)로, 두 파라로그가 서로 다른 단백질 코딩 도메인 또는 엑손에서 돌연변이를 획득하여 원래 유전자 기능을 분할하는 것입니다. 그러나 두 paralogous 유전자의 단백질 산물은 서로를 보완하고 원래의 유전자 기능을 나타냅니다.
예를 들어, 원시 어류와 해양 동물의 경우, 단일 사슬 글로빈 단백질이 혈액 속의 산소 운반 분자 역할을 했습니다.
진화 과정에서 글로빈 유전자는 α 글로빈 단백질과 β 글로빈 단백질을 암호화하는 두 개의 약간 다른 유전자로 복제되고 하위 기능화되었으며, 이 유전자는 오늘날 대부분의 척추 동물에서 발견되는 4개의 소단위를 가진 헤모글로빈 분자를 형성하기 위해 결합했습니다.
세 번째는 신기능화(Neo-functionalization)이다. 여기서 하나의 파라로그는 새로운 유전자의 진화로 이어질 수 있는 새롭고 유리한 돌연변이를 획득합니다. 대조적으로, 다른 paralog는 원래 기능을 유지합니다.
예를 들어, 인간의 β-글로빈 유전자는 복제하고 획득하여 돌연변이를 획득하여 인간 태아에서만 독점적으로 발현되는 태아 β-글로빈이라는 새로운 유전자를 생성했습니다. 그러나 출생 직후 β글로빈 유전자가 β글로빈 단백질의 생산을 대신합니다.
인간의 삼색시의 진화는 신기능화의 또 다른 흥미로운 예입니다. 현생 유인원이 진화하기 훨씬 이전에, 초기 영장류는 청색과 초록색 옵신 유전자의 존재로 인해 이색 시력을 가지고 있었다.
나중에, 그린 옵신 유전자는 복제되어 새로운 레드 옵신 유전자로 신기능화되었습니다.
따라서 복제 사건 이후에 진화한 종들, 예를 들어 구세계 원숭이, 원숭이, 인간은 삼색시력을 부여하는 세 가지 옵신 유전자를 가지고 있다.
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.