2.6
Przełomowa praca Ohno z 1970 roku spopularyzowała ideę duplikacji i dywergencji genów. Badania porównawcze sekwencji DNA ujawniają, że duża część genó…
Duplikacja genów to proces, w którym region DNA kodujący gen duplikuje się, tworząc dodatkowe kopie siebie w tym samym genomie. Te zduplikowane kopie genu - zwane paralogami - mogą później mutować i rozchodzić się w jeden z następujących sposobów.
Pierwszym z nich jest powstawanie pseudogenów. W tym przypadku jeden z paralogów genów może nabyć szkodliwe mutacje i przekształcić się w niefunkcjonalną kopię zwaną pseudogenem.
Drugą jest subfunkcjonalizacja, w której oba paralogi nabywają mutacje w różnych domenach kodujących białka lub eksonach, dzieląc w ten sposób między sobą pierwotną funkcję genu. Jednak produkty białkowe dwóch paralogicznych genów uzupełniają się nawzajem i wykazują pierwotną funkcję genu.
Na przykład u prymitywnych ryb i zwierząt morskich jednołańcuchowe białko globiny służyło jako cząsteczka przenosząca tlen we krwi.
W trakcie ewolucji gen globiny duplikował się i subfunkcjonalizował w dwa nieco różne geny kodujące białka α- i β-globiny, które łączą się, tworząc cząsteczkę hemoglobiny z 4 podjednostkami występującymi u większości współczesnych kręgowców.
Trzecim jest neofunkcjonalizacja. W tym przypadku jeden paralog nabywa nowe, korzystne mutacje, które mogą prowadzić do ewolucji nowego genu. W przeciwieństwie do tego, drugi paralog zachowuje pierwotną funkcję.
Na przykład ludzki gen β-globiny zduplikował i nabył mutacje, aby wytworzyć nowy gen zwany płodową β-globiną, który ulega ekspresji wyłącznie u płodu ludzkiego. Jednak wkrótce po urodzeniu gen β-globiny przejmuje produkcję białek β-globiny.
Ewolucja trójkolorowego widzenia u ludzi jest kolejnym interesującym przykładem neofunkcjonalizacji. Na długo przed ewolucją współczesnych małp człekokształtnych wczesne naczelne miały widzenie dwuchromatyczne ze względu na obecność genów niebieskiej i zielonej opsyny.
Później gen zielonej opsyny zduplikował się i neofunkcjonalizował w nowy gen czerwonej opsyny.
Dlatego gatunki, które wyewoluowały po zduplikowaniu, takie jak małpy ze Starego Świata, małpy człekokształtne i ludzie, mają trzy geny opsyny, które nadają widzenie trójkolorowe.
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.