Gene orfane

Genele orfane ( Orphan gene sau ORF ans, în principal în literatura de specialitate în microbiologie) [1] [2]  sunt gene fără omologi găsite în alte ramuri evolutiveengleză  [2] Orfanii sunt un subgrup de gene cu restricții taxonomice (TRG) care sunt unice la un anumit nivel taxonom (de exemplu, pentru o anumită plantă) [3] . Spre deosebire de TRG-urile non-orfane, orfanii sunt în general considerați a fi unici pentru un taxon foarte îngust , mai ales o specie.

Modelul clasic de evoluție se bazează pe duplicarea, rearanjarea și mutația genelor cu ideea unei origini comune [4] [5] . Genele orfane sunt distincte prin faptul că sunt specifice liniei, fără istoric cunoscut de duplicare și permutare comună în afara speciei sau cladei lor specifice [6] . Genele orfane pot apărea printr-o varietate de mecanisme, cum ar fi transferul orizontal al genelor , duplicarea și divergența rapidă și apariția genei de novo dintr-o secvență necodifică 2Aceste procese pot funcționa cu viteze diferite la insecte, primate și plante [7] . În ciuda originii lor relativ recente, genele orfane pot codifica proteine ​​importante din punct de vedere funcțional [8] [9] .

Istoria studiului genelor orfane

Genele orfane au fost descoperite pentru prima dată după începerea proiectului de secvențiere a genomului drojdiei în 1996 [2] . Genele orfane au reprezentat aproximativ 26% din genomul drojdiei, dar se credea că aceste gene ar putea fi clasificate prin omologi dacă ar fi secvenționați mai mulți genomi [3] . La acea vreme, duplicarea genelor era considerată singurul model serios de evoluție a genelor [2] [4] [10] , apoi doar câțiva genomi au fost secvențiați pentru comparație, astfel că absența omologilor detectabili a fost considerată cel mai probabil din cauza lipsei de secvențiere. date, iar nu de la -pentru adevărata lipsă de omologie [3] . Cu toate acestea, genele orfane au continuat să existe pe măsură ce numărul de genomi secvențiali a crescut [3] [11] , conducând în cele din urmă la concluzia că genele orfane sunt omniprezente în toți genomii [2] . Estimările procentului de gene orfane variază foarte mult între specii și studii; 10-30% este o cifră frecvent citată [3] .

Studiul genelor orfane a apărut în mare parte la începutul secolului. În 2003, un studiu al briggsae și al speciilor înrudite a comparat peste 2.000 de gene [3 Ei au emis ipoteza că aceste gene trebuie să fi evoluat prea repede pentru a fi detectate și, prin urmare, sunt locuri de evoluție foarte rapidă [3] . În 2005, Wilson a examinat 122 de specii bacteriene pentru a încerca să afle dacă un număr mare de gene orfane din multe specii sunt într-adevăr gene orfane [11] . Studiul a arătat că aceasta a fost o presupunere corectă și a jucat un rol în adaptarea bacteriilor. Definiția genelor restricționate taxonomic a fost introdusă în literatură pentru a face genele orfane să pară mai puțin „misterioase” [11] .

În 2008, s-a descoperit că o proteină de drojdie stabilită funcțional , BSC4, a provenit novo din secvențe necodante a căror omologie a fost încă găsită la speciile surori [ 12

În 2009, a fost descoperită o genă orfană care reglează rețeaua biologică internă : gena orfană QQS de la Arabidopsis thaliana afectează metabolismul amidonului [13] . Proteina orfană QQS interacționează cu factorul de transcripție conservat NF-YC4, ceea ce explică creșterea producției de proteine ​​care este cauzată atunci când gena QQS este introdusă prin inginerie genetică în alte specii de plante [14] .

În 2011, a fost efectuat un studiu genomic cuprinzător al distribuției și originii evolutive a genelor orfane la plante pe planta model Arabidopsis thaliana [15] .

Cum se identifică genele orfane

Genele pot fi clasificate condiționat ca orfane dacă nu se găsesc proteine ​​ortologe la speciile din apropiere [7] .

O metodă utilizată pentru a evalua asemănarea secvențelor de nucleotide sau proteine ​​care indică omologie (adică asemănarea datorată ascendenței comune) este instrumentul Basic Local Alignment Search (BLAST) . BLAST vă permite să căutați rapid secvențe în baze de date mari [16] [17] . Modelarea sugerează că, în anumite condiții, BLAST este potrivit pentru detectarea rudelor îndepărtate ale unei gene [18] . Cu toate acestea, BLAST poate rata cu ușurință genele scurte și care evoluează rapid [19] .

Descoperirea sistematică a omologiei pentru adnotarea genelor orfane se numește filostratigrafie[20] . Filostratigrafia generează un arbore filogenetic , în care se calculează omologia dintre toate genele speciilor principale și genele altor specii. Cel mai vechi strămoș comun al unei gene determină vârsta sau stratul filogenetic al genei. Termenul „orfan” este uneori folosit numai pentru cel mai tânăr strat filogenetic care conține o singură specie, dar atunci când este interpretat în linii mari ca o genă restricționată taxonomic , se poate referi la toate, cu excepția celui mai vechi strat filogenetic, cu o genă orfană într-o clă mai mare .

De unde provin genele orfane?

Genele orfane apar dintr-o varietate de surse, predominant prin apariția de novoduplicarea și divergența rapidă și transferul orizontal al genelor [2

Apariție de novo

Noi gene orfane apar în mod constant novo din secvențe necodante [ 21Aceste noi gene pot fi suficient de utile pentru a fi fixate prin selecție . Sau, mai probabil, se vor retrage din nou într-un fundal non-genetic. Ultima opțiune este susținută de studiile la Drosophila care arată că genele tinere sunt mai susceptibile de a muri [22] .

Se credea cândva că apariția genelor de novo era aproape imposibilă din cauza complexităților complexe și potențial fragile ale creării și menținerii polipeptidelor funcționale [10] , dar studiile din ultimii 10 ani și ceva au găsit câteva exemple de gene de novo , dintre care unele sunt asociate cu procese biologice importante, în special cu funcția testiculară la animale. Gene de novo au fost găsite și în ciuperci și plante [12] [23] [24] [5] [25] [26] [27] .

Pentru genele orfane tinere, secvențele ADN necodificatoare omoloage pot fi uneori găsite în taxonii surori, ceea ce este în general considerat o dovadă puternică pentru originea de novo . Cu toate acestea, contribuția originii de novo la genele restrânse taxonomic de origine mai veche, în special în relație cu teoria tradițională a evoluției duplicării genelor, rămâne controversată [28] [29] .

Duplicare și divergență

Modelul de duplicare și divergență pentru genele orfane presupune că o nouă genă este creată ca urmare a unui eveniment de duplicare sau divergență și are loc o perioadă de evoluție rapidă când se pierde toată similitudinea detectabilă cu gena duplicată inițial [2] . Deși această explicație este în concordanță cu înțelegerea actuală a mecanismelor de duplicare [2] , numărul de mutații necesare pentru a pierde similitudinea detectabilă este suficient de mare pentru a fi un eveniment rar [2] [18] și mecanismul evolutiv prin care o genă duplicată poate fi izolat și astfel diverge rapid rămâne neclar [2] [30] .

Transfer orizontal de gene

O altă explicație a modului în care apar genele orfane are de-a face cu un mecanism de duplicare numit transfer de gene orizontale , în care gena duplicată originală provine dintr-o linie[2] . Această explicație pentru originea genelor orfane este deosebit de relevantă în bacterii și arhee , unde transferul orizontal al genelor este obișnuit.

Caracteristicile unei proteine

Genele orfane tind să fie foarte scurte (de aproximativ 6 ori mai scurte decât genele mature), iar unele sunt slab exprimate , specifice țesutului și mai ușor de utilizat codoni și compoziția aminoacizilor [31] . Genele orfane tind să codifice pentru proteine ​​intrinsec dezordonate32]33] [34] deși s-a găsit o anumită structură într-una dintre genele orfane cele mai bine caracterizate [ 35] Din zecile de mii de metabolismsau specializat care au fost caracterizate până în prezent, niciuna nu este orfană sau chiar limitată ca origine; evident, pentru cataliză sunt necesare sute de milioane de ani de evoluție [31] .

Funcții biologice

În timp ce prevalența genelor orfane este recunoscută, rolul evolutiv al orfanilor și, prin extensie, importanța lor, este încă dezbătut. O teorie este că mulți orfani nu joacă un rol evolutiv; genomii conțin cadre de citire deschise (ORF) nefuncționale , care creează produse polipeptidice false care nu sunt susținute de selecție , ceea ce înseamnă că este puțin probabil să persistă între specii și este probabil să fie găsite ca gene orfane [3] . Cu toate acestea, numeroase alte studii au arătat că cel puțin unii orfani sunt importanți funcțional și pot ajuta la explicarea apariției unor fenotipuri noi [2] [3] [11] [13] [14] [15] .

Note

  1. ↑ Fischer, D.; Eisenberg, D. Găsirea familiilor pentru ORFans genomic // Bioinformatică. - 1999. - 1 septembrie ( vol. 15 , nr. 9 ). - S. 759-762 . - doi : 10.1093/bioinformatics/15.9.759 . — PMID 10498776 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tautz, D.; Domazet-Lošo, T. Originea evolutivă a genelor orfane  (engleză)  // Nature Reviews Genetics . - 2011. - Vol. 12 , nr. 10 . - P. 692-702 . doi : 10.1038 / nrg3053 . — PMID 21878963 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Khalturin, K; Hemmrich, G; Fraune, S; Augustin, R; Bosch, TC Mai mult decât orfani: sunt genele restricționate din punct de vedere taxonomic importante în evoluție? (ing.)  // Tendințe în genetică : jurnal. - Cell Press , 2009. - Vol. 25 , nr. 9 . - P. 404-413 . - doi : 10.1016/j.tig.2009.07.006 . — PMID 19716618 .
  4. ↑ 1 2 Ohno, Susumu. Evoluție prin duplicarea genelor . - Springer Science & Business Media , 2013. - ISBN 978-3-642-86659-3 .
  5. ↑ 1 2 Zhou, Qi; Zhang, Guojie; Zhang, Yue; Xu, Shiyu; Zhao, Ruoping; Zhan, Zubing; Li, Xin; Ding, Yun; Yang, Shuang. Despre originea noilor gene în Drosophila   // Cercetarea genomului. - 2008. - 1 septembrie ( vol. 18 , nr. 9 ). - P. 1446-1455 . - doi : 10.1101/gr.076588.108 . — PMID 18550802 .
  6. ↑ Toll-Riera, M.; Bosch, N.; Bellora, N.; Castelo, R.; Armengol, L.; Estivill, X.; Alba, MM Originea genelor orfane de primate  : o abordare genomica comparativa  // Biologie moleculara si evolutie : jurnal. - Oxford University Press , 2009. - Vol. 26 , nr. 3 . - P. 603-612 . - doi : 10.1093/molbev/msn281 . — PMID 19064677 .
  7. ↑ 1 2 Wissler, L.; Gadau, J.; Simola, D.F.; Helmkampf, M.; Bornberg-Bauer, E. Mecanisme și dinamica apariției genelor orfane în genomurile insectelor   // Biologia și evoluția genomului : jurnal. - 2013. - Vol. 5 , nr. 2 . - P. 439-455 . - doi : 10.1093/gbe/evt009 . — PMID 23348040 .
  8. ↑ Reinhardt, Josephine A.; Wanjiru, Betty M.; Brant, Alicia T.; Saelao, Perot; Begun, David J.; Jones, Corbin D. De Novo ORF-urile din Drosophila sunt importante pentru fitness-ul organismului și au evoluat rapid din secvențe anterioare necodificatoare  //  PLoS Genet : jurnal. - 2013. - 17 octombrie ( vol. 9 , nr. 10 ). — P. e1003860 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003860 . — PMID 24146629 .
  9. ↑ Suenaga, Yusuke; Islam, S. M. Rafiqul; Alagu, Jennifer; Kaneko, Yoshiki; Kato, Mamoru; Tanaka, Yukichi; Kawana, Hidetada; Hossain, Shamim; Matsumoto, Daisuke. NCYM, o genă Cis-Antisens a MYCN, codifică o proteină evoluată De Novo care inhibă GSK3β, rezultând stabilizarea MYCN în neuroblastoamele umane   // PLoS Genet : jurnal. - 2014. - 2 ianuarie ( vol. 10 , nr. 1 ). - P. e1003996 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003996 . — PMID 24391509 .
  10. ↑ 1 2 Jacob, F. Evolution and tinkering  (engleză)  // Science : journal. - 1977. - 10 iunie ( vol. 196 , nr. 4295 ). - P. 1161-1166 . - doi : 10.1126/science.860134 . - Cod biblic . — PMID 860134 .
  11. ↑ 1 2 3 4 Wilson, G.A.; Bertrand, N.; Patel, Y.; Hughes, JB; Feil, EJ; Field, D. Orphans as taxonomic restricted and ecologically important genes  (engleză)  // Microbiology : journal. - 2005. - Vol. 151 , nr. 8 . - P. 2499-2501 . - doi : 10.1099/mic.0.28146-0 . — PMID 16079329 .
  12. ↑ 1 2 Cai, Jing; Zhao, Ruoping; Jiang, Huifeng; Wang, Wen. De Novo Originarea unei noi gene de codificare a proteinelor în Saccharomyces cerevisiae  (engleză)  // Genetică : jurnal. - 2008. - 1 mai ( vol. 179 , nr. 1 ). - P. 487-496 . - doi : 10.1534/genetics.107.084491 . — PMID 18493065 .
  13. ↑ 1 2 Li, L.; Foster, C. M.; Gan, Q.; Nettleton, D.; James, M.G.; Myers, A. M.; Wurtele, ES Identificarea noii proteine ​​QQS ca o componentă a rețelei metabolice a amidonului din frunzele de Arabidopsis  //  The Plant Journal : jurnal. - 2009. - Vol. 58 , nr. 3 . - P. 485-498 . - doi : 10.1111/j.1365-313X.2009.03793.x . — PMID 19154206 .
  14. ↑ 1 2 Li, L; Zheng, W; Zhu, Y; Da, H; Tang, B; Arendsee, Z; Jones, D; Li, R; Ortiz, D; Zhao, X; Du, C; Nettleton, D; Scott, P; Salas-Fernandez, M; Yin, Y; Wurtele, ES Gena orfană QQS reglează împărțirea carbonului și azotului între specii prin interacțiuni NF-YC  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2015. - Vol. 112 , nr. 47 . - P. 14734-14739 . - doi : 10.1073/pnas.1514670112 . - Cod . — PMID 26554020 .
  15. ↑ 1 2 Donoghue, MTA; Keshavaiah, C.; Swamidatta, S.H.; Spillane, C. Originile evolutive ale genelor specifice Brassicaceae în Arabidopsis thaliana  (engleză)  // BioMed Central : jurnal. - 2011. - Vol. 11 , nr. 1 . — P. 47 . - doi : 10.1186/1471-2148-11-47 . — PMID 21332978 .
  16. ↑ Altschul, S. Gapped BLAST și PSI-BLAST: o nouă generație de programe de căutare în baze de date de proteine  ​​//  Nucleic Acids Research : jurnal. - 1997. - 1 septembrie ( vol. 25 , nr. 17 ). - P. 3389-3402 . doi : 10.1093 / nar/25.17.3389 . — PMID 9254694 .
  17. ↑ Pagina de pornire NCBI BLAST . Preluat la 8 septembrie 2020. Arhivat din original la 21 august 2020.
  18. ↑ 12 Alba , M; Castresana, J. Despre căutările de omologie prin proteina BLAST și caracterizarea vârstei genelor  //  BioMed Central : jurnal. - 2007. - Vol. 7 . — P. 53 . - doi : 10.1186/1471-2148-7-53 . — PMID 17408474 .
  19. ↑ Moyers, B.A.; Zhang, J. Prejudecățile  filostratigrafice creează modele false ale evoluției genomului  // Biologie moleculară și evoluție : jurnal. — Oxford University Press , 2014. — 13 octombrie ( vol. 32 , nr. 1 ). - P. 258-267 . - doi : 10.1093/molbev/msu286 . — PMID 25312911 .
  20. ↑ Domazet-Lošo, Tomislav; Brajkovic, Josip; Tautz, Diethard. O abordare filostratigrafie pentru a descoperi istoria genomică a adaptărilor majore în liniile metazoarelor   // Trends in Genetics : jurnal. - Cell Press , 2007. - 11 ianuarie ( vol. 23 , nr. 11 ). - P. 533-539 . - doi : 10.1016/j.tig.2007.08.014 . — PMID 18029048 .
  21. ↑ McLysaght, Aoife; Guerzoni, Daniele. Noi gene din secvența necodifică: rolul genelor de novo care codifică proteine ​​în inovația evolutivă eucariotă  (engleză)  // Tranzacții filosofice ale Societății Regale B  : jurnal. - 2015. - 31 august ( vol. 370 , nr. 1678 ). — P. 20140332 . - doi : 10.1098/rstb.2014.0332 . — PMID 26323763 .
  22. ↑ Palmieri, Nicola; Kosiol, Carolyn; Schlotterer, Christian. Ciclul de viață al genelor orfane  (engleză)  // eLife  : jurnal. - 2014. - 19 februarie ( vol. 3 ). — P.e01311 . - doi : 10.7554/eLife.01311 . — PMID 24554240 .
  23. ↑ Zhao, Li; Saelao, Perot; Jones, Corbin D.; Begun, David J. Originea și răspândirea genelor de Novo în populațiile de Drosophila melanogaster  (engleză)  // Science : journal. - 2014. - 14 februarie ( vol. 343 , nr. 6172 ). - P. 769-772 . - doi : 10.1126/science.1248286 . - . — PMID 24457212 .
  24. ↑ Levine, Mia T.; Jones, Corbin D.; Kern, Andrew D.; Lindfors, Heather A.; A început, David J. Genele noi derivate din ADN-ul necodificator la Drosophila melanogaster sunt frecvent legate de X și prezintă o expresie părtinitoare a testiculelor  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2006. - 27 iunie ( vol. 103 , nr. 26 ). - P. 9935-9939 . - doi : 10.1073/pnas.0509809103 . - . — PMID 16777968 .
  25. ↑ Heinen, Tobias JAJ; Staubach, Fabian; Hamming, Daniela; Tautz, Diethard. Apariția unei noi gene dintr-o regiune intergenică  (engleză)  // Current Biology  : journal. - Cell Press , 2009. - 29 septembrie ( vol. 19 , nr. 18 ). - P. 1527-1531 . - doi : 10.1016/j.cub.2009.07.049 . — PMID 19733073 .
  26. ↑ Chen, Sidi; Zhang, Yong E.; Long, Manywan. Noile gene în Drosophila devin rapid esențiale  (engleză)  // Știință : jurnal. - 2010. - 17 decembrie ( vol. 330 , nr. 6011 ). - P. 1682-1685 . - doi : 10.1126/science.1196380 . - Cod biblic . — PMID 21164016 .
  27. ↑ Silveira AB, Trontin C., Cortijo S., Barau J., Del-Bem LE, Loudet O., Colot V., Vincentz M. Extensive Natural Epigenetic Variation at a De Novo Originated Gene  //  PLoS Genetics  : jurnal. - 2013. - Vol. 9 , nr. 4 . — P.e1003437 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003437 . — PMID 23593031 .
  28. ↑ Neme, Rafik; Tautz, Diethard. Evolution: Dynamics of De Novo Gene Emergence  (English)  // Current Biology  : journal. - Cell Press , 2014. - 17 martie ( vol. 24 , nr. 6 ). - P.R238-R240 . - doi : 10.1016/j.cub.2014.02.016 . — PMID 24650912 .
  29. ↑ Moyers, Bryan A.; Zhang, Jianzhi. Evaluarea dovezilor filostratigrafice pentru nașterea pe scară largă a genei de novo în evoluția genomului  // Biologie  moleculară și evoluție : jurnal. - Oxford University Press , 2016. - 11 ianuarie ( vol. 33 , nr. 5 ). - P. 1245-1256 . - doi : 10.1093/molbev/msw008 . — PMID 26758516 .
  30. ↑ Lynch, Michael; Katju, Vaishali.  Traiectoriile evolutive modificate ale duplicatelor de gene  // Trends in Genetics : jurnal. - Cell Press , 2004. - 1 noiembrie ( vol. 20 , nr. 11 ). - P. 544-549 . - doi : 10.1016/j.tig.2004.09.001 . — PMID 15475113 .
  31. ↑ 1 2 Arendsee, Zebulun W.; Li, Ling; Wurtele, Eve Syrkin. Majoritatea: genele orfane în plante  (ing.)  // Trends in Plant Science : jurnal. - Cell Press , 2014. - Noiembrie ( vol. 19 , nr. 11 ). - P. 698-708 . - doi : 10.1016/j.tplants.2014.07.003 . — PMID 25151064 .
  32. ↑ Mukherjee, S.; Panda, A.; Ghosh, TC Elucidarea caracteristicilor evolutive și a implicațiilor funcționale ale genelor orfane în Leishmania major  // Infecție, genetică și evoluție  : jurnal  . - 2015. - iunie ( vol. 32 ). - P. 330-337 . - doi : 10.1016/j.meegid.2015.03.031 . — PMID 25843649 .
  33. ↑ Wilson, Benjamin A.; Foy, Scott G.; Neme, Rafik; Masel, Joanna. Genele tinere sunt foarte dezordonate, așa cum este prezis de ipoteza de preadaptare a nașterii de novo a genei  //  Nature Ecology & Evolution : jurnal. - 2017. - 24 aprilie ( vol. 1 , nr. 6 ). - P. 0146-0146 . - doi : 10.1038/s41559-017-0146 . — PMID 28642936 .
  34. ↑ Willis, Sara; Masel, Joanna. Nașterea genelor contribuie la tulburările structurale codificate de gene suprapuse  //  Genetica: jurnal. - 2018. - 19 iulie ( vol. 210 , nr. 1 ). - P. 303-313 . - doi : 10.1534/genetics.118.301249 . — PMID 30026186 .
  35. ↑ Bungard, Dixie; Copple, Jacob S.; Yan, Jing; Chhun, Jimmy J.; Kumirov, Vlad K.; Foy, Scott G.; Masel, Joanna; Wysocki, Vicki H.; Cordes, Matthew HJ Foldability of a Natural De Novo Evolved Protein // Structura. - 2017. - Noiembrie ( vol. 25 , Nr. 11 ). — S. 1687–1696.e4 . - doi : 10.1016/j.str.2017.09.006 . — PMID 29033289 .