2.6
Ohno'nun 1970'teki ufuk açıcı çalışması, gen duplikasyonu ve farklılaşması fikrini popüler hale getirdi. DNA dizilimi karşılaştırma çalışmaları, bakte…
Gen duplikasyonu, bir geni kodlayan bir DNA bölgesinin çoğaldığı ve aynı genom içinde kendisinin ek kopyalarını oluşturduğu bir süreçtir. Paralog adı verilen genin bu kopyalanmış kopyaları daha sonra aşağıdaki yollardan biriyle mutasyona uğrayabilir ve farklılaşabilir.
Birincisi, sözde genlerin oluşumudur. Burada, gen paraloglarından biri zararlı mutasyonlar kazanabilir ve psödogen adı verilen işlevsel olmayan bir kopyaya dönüşebilir.
İkincisi, her iki paralogun da farklı protein kodlama alanlarında veya eksonlarda mutasyonlar elde ettiği ve böylece orijinal gen fonksiyonunu aralarında bölüştürdüğü alt işlevselleştirmedir. Bununla birlikte, iki paralog genin protein ürünleri birbirini tamamlar ve orijinal gen fonksiyonunu sergiler.
Örneğin, ilkel balıklarda ve deniz hayvanlarında, tek zincirli bir globin proteini, kanda oksijen taşıyan molekül olarak görev yaptı.
Evrim süreci boyunca, globin geni, günümüz omurgalılarının çoğunda bulunan 4 alt birimle hemoglobin molekülünü oluşturmak üzere birleşen α- ve β-globin proteinlerini kodlayan iki biraz farklı gene kopyalandı ve alt işlevselleştirildi.
Üçüncüsü Neo-işlevselleşmedir. Burada, bir paralog, yeni bir genin evrimine yol açabilecek yeni, avantajlı mutasyonlar elde eder. Buna karşılık, diğer paralog orijinal işlevini korur.
Örneğin, insan β-globin geni, yalnızca insan fetüsünde ifade edilen fetal β-globin adı verilen yeni bir gen üretmek için mutasyonları kopyaladı ve edindi. Bununla birlikte, doğumdan kısa bir süre sonra, β-globin geni, β-globin proteinlerinin üretimini devralır.
İnsanlarda üç renkli görüşün evrimi, neoişlevselleşmenin bir başka ilginç örneğidir. Modern maymunların evriminden çok önce, erken primatlar Mavi ve Yeşil opsin genlerinin varlığı nedeniyle dikromatik görüşe sahipti.
Daha sonra, Yeşil opsin geni kopyalandı ve yeni bir kırmızı opsin genine neo-işlevselleştirildi.
Bu nedenle, eski dünya maymunları, maymunları ve insanlar gibi duplikasyon olayından sonra evrimleşen türler, üç renkli görüş sağlayan üç opsin genine sahiptir.
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.