Genski klaster
Genska porodica je skup homolognih gena unutar jednog organizma. Genski klaster je grupa od dva ili više gena unutar DNK organizma koji kodiraju slične polipeptide ili proteine, koji zajedno dijele uopćenu funkciju i često se nalaze unutar nekoliko hiljada parova baza jedan od drugog. Veličina klastera gena može značajno varirati, od nekoliko gena do nekoliko stotina gena.[1] Ustanovljeno je da su dijelovi DNK sekvence svakog gena unutar klastera gena identični; međutim, rezultirajući protein svakog gena razlikuje se od rezultirajućeg proteina drugog gena unutar klastera. Geni koji se nalaze u klasteru gena mogu biti jedan blizu drugog na istom hromosomu ili na različitim, ali homolognim hromozomima. Primjer klastera gena je Hox gen, koji se sastoji od osam gena i dio je porodice homeoboksnih gena.
Formiranje
urediHistorijski gledano, četiri modela predložena su za formiranje i postojanost klastera gena.
Duplikacija i divergencija gena
urediOvaj model je općeprihvaćen od sredine 1970-ih. Pretpostavlja se da su klasteri gena formirani kao rezultat duplikacija gena i divergencija.[2] Ovi klasteri gena uključuju Hox klaster gena, ljudski β-globinski klaster gena za četiri klasterizirana ljudska hormona rasta (hGH)/horionski somatotropinskih gena.[3]
Konzervirani klasteri gena, kao što su Hox i klaster gena za ljudski β-globin, mogu se formirati kao rezultat procesa "duplikacije i divergencije gena". Gen se umnožava tokom ćelijske diobe, tako da njegovi potomci imaju dvije kopije gena kraj-do-kraja, gdje je imao jednu kopiju, koja u početku kodira isti protein ili na drugi način ima istu funkciju. U toku kasnije evolucije, oni divergiraju, tako da proizvodi za koje su kodirani imaju različite, ali povezane funkcije, pri čemu su geni još uvijek susjedi na hromosomu.[4]
Ohno je teoretizirao da je porijeklo novih gena tokom evolucije ovisilo o umnožavanju gena. Kada bi u genomu neke vrste postojala samo jedna kopija gena, proteini transkribovani iz ovog gena bili bi bitni za njihov opstanak. Budući da je postojala samo jedna kopija gena, oni nisu mogli proći mutacije koje bi potencijalno rezultirale novim genima; međutim, umnožavanje gena omogućava esencijalnim genima da prođu mutacije u dupliranoj kopiji, što bi na kraju dovelo do novih gena tokom evolucije.[5] Mutacije u dupliciranoj kopiji su tolerirane jer je originalna kopija sadržavala genetičke informacije za funkciju osnovnog gena (divlji tip). Vrste koje imaju klastere gena imaju selektivnu evolucijsku prednost jer prirodna selekcija mora održati takve gene zajedno.[1][6] U kratkom vremenskom periodu, nova genetička informacija koju pokazuje duplirana kopija esencijalnog gena ne bi poslužila kao praktična prednost; međutim, tokom dugog, evolucijskog vremenskog perioda, genetičke informacije u dupliciranoj kopiji mogu proći kroz dodatne i drastične mutacije u kojima su proteini dupliciranog gena imali drugačiju ulogu od onih originalnog esencijalnog gena.[5] Tokom dugog, evolucijskog vremenskog perioda, dva slična gena bi divergirala tako da su proteini svakog gena bili jedinstveni u svojim funkcijama. Klasteri Hox gena, u rasponu različitih veličina, nalaze se među nekoliko koljena.
Hox klaster
urediKada dođe do umnožavanja gena kako bi se stvorio klaster gena, jedan ili više gena mogu biti duplicirani odjednom. U slučaju Hox gena, zajednički predak ProtoHox klaster je dupliciran, što je rezultiralo genetičkim klasterima u Hox genu kao i ParaHox gen, evolutivnom sestrinskom kompleksu Hox gena.[7] Nepoznat je tačan broj gena sadržanih u dupliciranom Protohox klasteru; međutim, postoje modeli koji sugeriraju da je duplicirani klaster Protohox izvorno sadržavao četiri, tri ili dva gena.[8]
U slučaju da je klaster gena dupliciran, neki geni mogu biti izgubljeni. Gubitak gena zavisi od broja gena koji potiču iz genskog klastera. U modelu četiri gena, ProtoHox klaster je sadržavao četiri gena koji su rezultirali u dva klastera blizanaca: Hox klaster i ParaHox klaster.[7] Kao što njegovo ime kaže, model dva gena je doveo do na klaster Hox i klaster ParaHox kao rezultat klastera ProtoHox koji je sadržavao samo dva gena. Model tri gena prvobitno je predložen u kombinaciji sa modelom četiri gena;[8] međutim, umjesto Hox klastera i ParaHox klastera koji je rezultat klastera koji sadrži tri gena, Hox klaster i ParaHox klaster su bili kao rezultat duplikacije jednog gena u tandemu, identični geni pronađeni su susjedni na istom hromozomu.[7] Ovo je bilo nezavisno od duplikacije predačkog ProtoHox klastera.
Cis ili trans duplikacija
urediDuplikacija gena može se dogoditi putem cis-duplikacije ili trans-duplikacije. Cis-duplikacija, ili unutarhromozomska duplikacija, podrazumijeva umnožavanje gena unutar istog hromosoma, dok se trans duplikacija, ili međuhromozomska duplikacija, odnosi na umnožavanja gena na susjednim, ali odvojenim hromosomima. Formacije Hox klastera i ParaHox klastera bile su rezultat intrahromozomske duplikacije, iako se u početku smatralo da su međuhromosomske.
Fisherov model
urediFisherov model predložio je Ronald Fisher, 1930. Prema Fisherovom modelu, klasteri gena su rezultat dva alela koji dobro sudjeluju jedan s drugim. Drugim riječima, klasteri gena mogu pokazati koadaptaciju.[3] Za Fisherov model smatralo se da je malo vjerojatnan i kasnije je odbačen kao objašnjenje za formiranje klastera gena.[2][3]
Model koregulacije
urediPrema modelu koregulacije, geni su organizovani u klastere, od kojih se svaki sastoji od jednog promotora i klastera kodirajućih sekvenci, koje su stoga koregulisane, pokazujući koordiniranu ekspresiju gena.[3] Koordinirana ekspresija gena nekada se smatrala najčešćim mehanizmom koji pokreće formiranje genskog klastera.[1] Međutim, koregulacija i na taj način koordinirana ekspresija gena ne može pokrenuti formiranje klastera gena.[3]
Model molarnosti
urediModel molarnosti uzima u obzir ograničenja veličine ćelije. Zajednička transkripcija i translacija gena korisna je za ćeliju.[9] tako formiranje grupiranih gena stvara visoku lokalnu koncentraciju citoplazmatskih proteinskih proizvoda. U bakterijama uočena je prostorna segregacija proteinskih proizvoda; međutim, model molarnosti ne razmatra kotranskripciju ili distribuciju gena koji se nalaze unutar operona.[2]
Genski klusteri ili tandemski nizovi
uredi
Ponovljeni geni mogu se pojaviti u dva glavna obrasca: klasteri gena i tandemski niz, ili ranije nazvani geni u tandemskom nizu. Iako slični, klasteri gena i tandemski raspoređeni geni mogu se razlikovati jedni od drugih.
Klasteri gena
urediOtkriveno je da su klasteri gena blizu jedan drugom kada se posmatraju na istom hromosomu. Raspršeni su nasumično; međutim, klasteri gena se obično nalaze unutar, najviše, nekoliko hiljada baza jedan od drugog. Udaljenost između svakog gena u klasteru gena može varirati. DNK pronađena između svakog ponovljenog gena u klasteru gena nije konzervirana.[10] Utvrđeno je da su u klasteru gena dijelovi DNK sekvence gena identični u sadržanim genima.[5] Konverzija gena je jedini obrazac u kojem se klasteri gena mogu homogenizirati. Iako veličina klastera gena može varirati, rijetko sadrži više od 50 gena, što čini klastere brojno stabilnim. Klasteri gena se mijenjaju tokom dugog evolucijskog vremenskog perioda, što ne rezultira genetičkom složenošću.[10]
Tandemski nizovi
urediTandemski nizovi su grupa gena sa istom ili sličnom funkcijom koji se ponavljaju uzastopno bez razmaka između svakog gena. Geni su organizovani u istoj orijentaciji.[10] Za razliku od klastera gena, otkriveno je da se geni u tandemskom nizu sastoje od uzastopnih, identičnih ponavljanja, odvojenih samo netranskribovanom regijom razmaka. [11] Dok geni u klasteru gena kodiraju slične proteine, identični proteini ili funkcionalne RNK su kodirani tandemski raspoređenim genima. Nejednaka rekombinacija, koja mijenja broj ponavljanja postavljanjem dupliciranih gena pored originalnog gena. Za razliku od klastera gena, tandemski raspoređeni geni se brzo mijenjaju kao odgovor na potrebe okoline, uzrokujući povećanje genetićke složenosti.[11]
Konverzija gena omogućava da tandemski raspoređeni geni postanu homogenizovani ili identični.[11] Konverzija gena može biti alelna ili ektopijska. Konverzija alelnog gena se dešava kada se jedan alel gena konvertuje u drugi kao rezultat nepodudarnog uparivanja baza tokom mejoze homologne rekombinacije.[12] Ektopijska konverzija gena događa se kada se jedna homologna sekvenca DNK zamijeni drugom. Takva konverzija gena je pokretačka snaga za usklađenu evoluciju porodica gena.[13]
Tandemski raspoređeni geni su neophodni za održavanje velikih porodica gena, kao što je ribosomska RNK. U eukariotskom genomu, tandemski raspoređeni geni čine ribosomsku RNK. Tandemsko ponovljene rRNK su neophodne za održavanje transkripta RNK. Jedan RNK gen možda neće biti u stanju da obezbedi dovoljnu količinu RNK. U ovoj situaciji, tandemska ponavljanja gena omogućavaju da se obezbedi dovoljna količina RNK. Naprimjer, ćelije ljudskog embriona sadrže po 5–10 miliona ribosoma i udvostručuju se u roku od 24 sata. Da bi se obezbijedio značajan broj ribosoma, višestruke RNK-polimeraze moraju uzastopno transkribovati više rRNK gena.[11]
Reference
uredi- ^ a b c Yi G, Sze SH, Thon MR (maj 2007). "Identifying clusters of functionally related genes in genomes". Bioinformatics. 23 (9): 1053–60. doi:10.1093/bioinformatics/btl673. PMID 17237058.
- ^ a b c Lawrence J (decembar 1999). "Selfish operons: the evolutionary impact of gene clustering in prokaryotes and eukaryotes" (PDF). Current Opinion in Genetics & Development. 9 (6): 642–8. doi:10.1016/s0959-437x(99)00025-8. PMID 10607610. Arhivirano s originala (PDF), 28. 5. 2010.
- ^ a b c d e Lawrence JG, Roth JR (august 1996). "Selfish operons: horizontal transfer may drive the evolution of gene clusters". Genetics. 143 (4): 1843–60. doi:10.1093/genetics/143.4.1843. PMC 1207444. PMID 8844169.
- ^ Ohno S (1970). Evolution by gene duplication. Springer Science+Business Media. ISBN 978-0-04-575015-3.
- ^ a b c Klug W, Cummings M, Spencer C, Pallodino M (2009). "Chromosome Mutations: Variation in chromosome number and arrangement". u Wilbur B (ured.). Concepts of Genetics (9 izd.). San Francisco, CA: Pearson Benjamin Cumming. str. 213–214. ISBN 978-0-321-54098-0.
- ^ Overbeek R, Fonstein M, D'Souza M, Pusch GD, Maltsev N (mart 1999). "The use of gene clusters to infer functional coupling". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (6): 2896–901. doi:10.1073/pnas.96.6.2896. PMC 15866. PMID 10077608.
- ^ a b c Garcia-Fernàndez J (februar 2005). "Hox, ParaHox, ProtoHox: facts and guesses". Heredity. 94 (2): 145–52. doi:10.1038/sj.hdy.6800621. PMID 15578045.
- ^ a b Garcia-Fernàndez J (decembar 2005). "The genesis and evolution of homeobox gene clusters". Nature Reviews. Genetics. 6 (12): 881–92. doi:10.1038/nrg1723. PMID 16341069. S2CID 42823485.
- ^ Gómez MJ, Cases I, Valencia A (2004). "Gene order in Prokaryotes: conservation and implications". u Vicente M, Tamames J, Valencia A, Mingorance J (ured.). Molecules in Time and Space: Bacterial Shape, Division, and Phylogeny. New York: Klumer Academic/Plenum Publishers. str. 221–224. doi:10.1007/0-306-48579-6_11. ISBN 978-0-306-48578-7.
- ^ a b c Graham GJ (juli 1995). "Tandem genes and clustered genes". Journal of Theoretical Biology. 175 (1): 71–87. doi:10.1006/jtbi.1995.0122. PMID 7564393.
- ^ a b c d Lodish H, Berk A, Kaiser C, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Scott M (2013). "Genes, Genomics, and Chromosomes". Molecular Cell Biology (7th izd.). New York: W.H. Freeman Company. str. 227–230. ISBN 978-1-4292-3413-9.
- ^ Galtier N, Piganeau G, Mouchiroud D, Duret L (oktobar 2001). "GC-content evolution in mammalian genomes: the biased gene conversion hypothesis". Genetics. 159 (2): 907–11. doi:10.1093/genetics/159.2.907. PMC 1461818. PMID 11693127.
- ^ Duret L, Galtier N (2009). "Biased gene conversion and the evolution of mammalian genomic landscapes". Annual Review of Genomics and Human Genetics. 10: 285–311. doi:10.1146/annurev-genom-082908-150001. PMID 19630562. S2CID 9126286.