Дупликация и дивергенция генов

Дупликация генов — это процесс, при котором участок ДНК, кодирующий ген, дуплицируется, создавая дополнительные копии самого себя в том же геноме. Эти дублированные копии гена, называемые паралогами, могут впоследствии мутировать и расходиться одним из следующих способов.

Первый – это формирование псевдогенов. В этом случае один из генных паралогов может приобрести вредные мутации и превратиться в нефункциональную копию, называемую псевдогеном.

Второй — субфункционализация, при которой оба паралога приобретают мутации в различных кодирующих белки доменах или экзонах, тем самым разделяя исходную функцию гена между ними. Тем не менее, белковые продукты двух паралогичных генов дополняют друг друга и проявляют исходную функцию гена.

Например, у примитивных рыб и морских животных одноцепочечный белок глобина служил молекулой, переносящей кислород в крови.

В ходе эволюции ген глобина дуплицировался и субфункционализировался в два немного отличающихся гена, кодирующих белки α- и β-глобина, которые объединяются, образуя молекулу гемоглобина с 4 субъединицами, обнаруженную у большинства современных позвоночных.

Третий – неофункционализация. Здесь один из паралогов приобретает новые, выгодные мутации, которые могут привести к эволюции нового гена. В отличие от этого, другой паралог сохраняет исходную функцию.

Например, человеческий ген β-глобина дублировал и приобрел мутации, чтобы произвести новый ген под названием фетальный β-глобин, который экспрессируется исключительно в человеческом плоде. Однако вскоре после рождения ген β-глобина берет на себя производство белков β-глобина.

Эволюция трехцветного зрения у человека является еще одним интересным примером неофункционализации. Задолго до эволюции современных обезьян ранние приматы обладали дихроматическим зрением из-за наличия генов синего и зеленого опсина.

Позже ген зеленого опсина был продублирован и неофункционализирован в новый ген красного опсина.

Таким образом, виды, которые эволюционировали после события дупликации, такие как обезьяны Старого Света, человекообразные обезьяны и люди, имеют три опсиновых гена, которые придают трехцветное зрение.