ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 1, с. 14-27
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.2:575.232.2
РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ ГЕНОВ © 2015 г. Г. А. Журавлёва
Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра генетики и биотехнологии,
Санкт-Петербург 199034 e-mail: zhouravleva@bio.pu.ru Поступила в редакцию 11.05.2014 г.
Наиболее известным способом возникновения новых генов традиционно считаются дупликации участков ДНК с последующей дивергенцией дуплицированных копий за счет мутаций. После дупликации лишь небольшая часть паралогов сохраняется в неизменном виде, в то время как большинство копий превращаются в псевдогены или приобретают новые функции, c помощью механизмов субфункционализации или неофункционализации. В некоторых случаях отдельные участки дуплицированных копий могут комбинироваться друг с другом, давая начало функционально новым генам. Анализ геномов приматов выявил взрыв сегментных дупликаций у человекообразных обезьян. Обнаружено, что некоторые из этих дупликаций содержат гены, специфически дуплици-рованные только у человека. Геномное секвенирование с последующим транскриптомным анализом позволило выявить в геномах млекопитающих присутствие множества транскрибируемых псевдогенов, что противоречит традиционному рассмотрению псевдогенов в качестве неработающих копий функционирующих генов.
DOI: 10.7868/S0016675815010154
В данном обзоре речь пойдет не о возникновении жизни и появлении первых кодирующих молекул, постепенно превратившихся в современные гены. Целью является обсуждение возможностей возникновения новых генов в дополнение или на основе уже существующих, а также возможной судьбы современных генов.
Для того чтобы классифицировать весь набор генов какого-либо организма, используют объединение генов в семейства. Семейство генов (gene family) — это группа родственных генов, кодирующих сходные продукты (белки), возникшие, как правило, в результате дупликации и последующей дивергенции предкового гена. Таким образом, семейство образуют гены-гомологи. Как правило, гены одного семейства кодируют сходные продукты, объединяемые в семейства белков. Последний термин стали употреблять еще при создании первых белковых баз данных, относя к семейству белков последовательности, обладающие >50% идентичности [1].
Для того чтобы подразделить различные способы эволюции гомологов, Фитч предложил ввести термины "ортологи" и "паралоги" [2]. Пара-логи часто выполняют разные функции. Позже был предложен термин "ксенологи" для того, чтобы отделить случаи появления гомологичных генов за счет горизонтального переноса (ГП) [3].
В настоящее время выделяют три основных типа эволюции семейств генов. Два самых простых типа — дивергенция и согласованная эволюция. Классическим примером дивергентной эво-
люции является эволюция генов а- и р-глобинов и миоглобина у позвоночных. Эти филогенетически родственные гены возникли из общего предшественника в результате множественных последовательных дупликаций и приобрели в ходе эволюции различающиеся функции (рис. 1). В 70-е годы прошлого века при изучении генов рибосомных РНК ксенопуса было обнаружено сходство не только тандемно повторяющихся копий гена (например, А и Б), но и межгенных районов. Особенностью этого сходства было то, что гены А и Б у каждого вида (как и соединяющие их межгенные участки) были более родственны друг другу, чем любому другому члену семейства у других видов [4]. Эти наблюдения было трудно объяснить, исходя из модели дивергентной эволюции, что привело к появлению новой модели, названной "согласованной эволюцией" ("concerted evolution"), при которой пара генов (А и Б) эволюционирует координированно (рис. 1). Согласно этой модели, все члены семейства генов изменяются согласованно, что приводит к тому, что мутация, возникшая в одном из повторов, распространяется по всем повторяющимся последовательностям за счет конверсии или неравного кроссинговера [5]. Подобное явление обнаружено не только для генов рРНК [6], но и для ряда других генов [5, 7, 8].
Впоследствии была предложена еще одна модель эволюции семейств генов, комбинирующая первые две модели. Если дупликации генов семейства происходят часто, то это дает начало новым генам, которые будут незначительно отли-
Время
Древние виды
Вид А Вид Б 1. Дивергенция
lo'ooo [оооо |
Вид А Вид Б
2. Согласованная эволюция
Вид А Вид Б
3. Рождение и смерть
Рис. 1. Модели эволюции мультигенных семейств генов. Модифицировано из: [9].
чаться друг от друга, как при согласованной эволюции. Число генов в семействе растет незначительно, так как часть из них элиминируется, превращаясь в псевдогены (рис. 1). В результате этот тип эволюции выглядит как сочетание дивергентной и согласованной эволюции, получив название "рождение и смерть генов" [9]. Рождение и смерть генов могут быть случайными или находиться под контролем отбора. Эта модель применима к большинству мультигенных семейств, включая гены иммуноглобулинов и белков комплекса гистоне-совместимости [10, 11], а также к ряду других семейств генов [9, 12].
ДУПЛИКАЦИИ КАК ОСНОВНОЙ СПОСОБ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НОВЫХ ГЕНОВ
Предположения о возможной роли дупликаций генов в эволюции существовали еще в 30-е годы XX в. и обсуждались, в том числе, классиками российской науки Н.К. Кольцовым и А.С. Сереб-ровским [13—17]. Но лишь бурное развитие методов молекулярной биологии позволило идентифицировать многочисленные повторяющиеся последовательности, показавшие высокую частоту дупликаций генов в эволюции. На основе этих данных С. Оно [18] выдвинул предположение о том, что дупликация генов — это единственный способ возникновения новых генов. С тех пор были идентифицированы и другие способы образования новых генов, но по-прежнему дупликациям отдается превалирующее значение.
Среди множества различных механизмов дупликаций генов выделяют несколько основных: полная дупликация генома (WGD от whole ge-
nome duplication), или полидиплоидизация; неравный кроссинговер, или тандемные дупликации; дупликативная транспозиция и ретротранс-позиция [19].
Дупликация генома была важна для эволюции многих видов, но является относительно редким событием. В то же время частичные дупликации за счет тандемных дупликаций или дупликатив-ной транспозиции происходили постоянно и внесли значительный вклад в дивергенцию геномов млекопитающих. Дупликация за счет ретро-транспозиции также могла происходить достаточно часто, но так как такие копии генов возникают за счет РНК-зависимых механизмов, они потеряли промотор и другие фланкирующие ре-гуляторные участки родительского гена. По этой причине считалось, что события ретродуплика-ции приводят в основном к появлению нефункциональных псевдогенов. Но в последнее время не только обнаружены многочисленные функциональные ретрокопии в различных геномах млекопитающих [20—22], но и показана роль ретро-транспозиции в образовании коротких интерферирующих РНК (siRNA) [23, 24]. Эти данные изменили отношение к роли ретротранспозиции в эволюции генома.
ДУПЛИКАЦИИ ГЕНОМА
Геномное секвенирование позволило проанализировать возможности древних геномных дупликаций у самых разных групп эукариот, в том числе дрожжей [25—27], растений [28] и позвоночных [29]. Во всех четырех эукариотических царствах (растений, животных, грибов и протист)
доля генов, сохранившихся в виде дуплицирован-ных копий, варьирует от 10 до 50% и чаще всего коррелирует со временем, прошедшим с момента дупликации [27]. Тем не менее характерным является то, что у многих видов в качестве дуплициро-ванных копий сохраняются сходные функциональные классы генов.
Обнаружение естественной полиплоидизации является сложной задачей, особенно если речь идет о древнем событии. Недавние дупликации могут быть обнаружены при сравнении близкородственных видов, один из которых претерпел диплоидизацию и поэтому содержит вдвое больше хромосом по сравнению с другим, который не диплоидизировался. В частности, сравнение геномов ЛяНЬуа gossypii и Баеекаготусез оегеу181ае позволило установить, что оба вида произошли от одного предшественника, содержавшего семь или восемь хромосом [30]. Изменения числа хромосом за счет перестроек, в частности транслокаций, привели к появлению предков Л. gossypii и Б. cerevisiae. Дупликация всего генома дрожжей Б. cerevisiae считается доказанной. Она привела к первоначальному увеличению числа генов от 5000 к 10000, но последующие потери паралогов привели к сохранению у современных дрожжей-сахаромицетов около 5500 белок-кодирующих генов, из которых 1102 формируют 551 паралогичную пару [31]. Диплоидизация генома Б. cerevisiae предоставила этому виду новые возможности функциональной дивергенции, отсутствовавшие у Л. gossypii. Аналогичный сравнительный анализ проведен также для Б. cerevisiae и его ближайшего "недуплицированного" родственника Kluyvero-myces waltii [26]. Тем не менее чем древнее дупликация, тем труднее такой анализ, так как вслед за полиплоидизацией следует период диплоидиза-ции, который завершается "превращением" полиплоидного генома в диплоидный. Достигается это интенсивной потерей генов, перестройками генома и различными способами дивергенции генов, оставшихся в виде дуплицированных копий. Кроме того, недавний анализ показал, что дупликации отдельных генов происходили в эволюции гораздо чаще, чем ранее предполагалось, и их частота позволила бы дуплицировать целый геном каждые 100 млн лет [32].
Известно, что у растений дупликация генома является широко распространенным явлением [28, 33, 34]. Предполагается, что причинами многократного использования полиплоидизации в ходе эволюции растений могла быть как возможность вегетативного размножения, так и существование специфических механизмов регуляции активности генов в растительной клетке. В частности, показано, что у полиплоидов наблюдаются быстрые потери одних генов и специфическая инактивация других за счет метилирования [28]. Возможно, эпигенетический сайленсинг может
защищать дуплицированные копии от превращения в псевдогены и таким образом способствовать приобретению ими новых функций [35]. Полиплоидия у покрытосеменных растений, по разным
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.