Кіріспе

Геномдағы ген тізбегінің қайталануы

Гендік дубликация (немесе хромосомалық дубликация немесе гендік амплификация) – молекулалық эволюция кезінде жаңа генетикалық материалдың пайда болуының маңызды механизмі болып табылады. Оны генді қамтитын ДНК аймағының кез келген дубликациясы деп анықтауға болады. Гендік дубликациялар ДНК репликациясы және жөндеу жүйесіндегі түрлі қателіктердің, сондай-ақ өзімшіл генетикалық элементтердің кездейсоқ түсірілуінің нәтижесінде туындауы мүмкін. Гендік дубликациялардың кең таралған көздері: эктопиялық рекомбинация, ретротранспозиция оқиғасы, анеуплоидия, полиплоидия және репликациядан қате шығу.

Эктопиялық рекомбинация

Көбейтулер мейоз кезінде дұрыс емес сәйкес келмеген гомологты хромосомалар арасында болатын тең емес кроссинговер деп аталатын құбылыстан пайда болады. Оның пайда болу ықтималдығы екі хромосома арасындағы қайталанатын элементтердің ортақ болу деңгейіне байланысты. Бұл рекомбинацияның нәтижесінде алмасу орнындағы көбейту және өзара жойылу пайда болады. Эктопиялық рекомбинация көбінесе тікелей қайталамаларды құрайтын, көбейтудің үзілу нүктелеріндегі тізбектердің ұқсастығы арқылы жүзеге асырылады. Транспозонды элементтер сияқты қайталанатын генетикалық элементтер рекомбинацияны жеңілдететін қайталанатын ДНК-ның бір көзін ұсынады және олар өсімдіктер мен сүтқоректілерде көбейтудің үзілу нүктелерінде жиі кездеседі.

Көшірудің ауытқуы

Репликациялық қате – қысқа генетикалық тізбектердің дубликациялануына алып келетін ДНК репликациясындағы қателік. Репликация барысында ДНК полимераза ДНК-ны көшіре бастайды. Репликация процесінің белгілі бір кезеңінде полимераза ДНК-дан ажырап, репликация тоқтап қалады. Полимераза ДНК тізбегіне қайта қосылғанда, көшірмеленетін тізбекті бұрыс позицияға орналастырып, бір бөлікті бірнеше рет көшіреді. Репликациялық қате көбінесе қайталанатын тізбектердің әсерінен жеңілдеседі, бірақ тек бірнеше базалық ұқсастық қана жеткілікті.

Ретротранспозиция

Ретротранспозондар, негізінен L1, жасушалық мРНК-ға кейде әсер ете алады. Транскрипттер ДНК-ға кері транскрипцияланып, геномдағы кездейсоқ жерге енгізіледі, нәтижесінде ретрогендер пайда болады. Алынған тізбектер әдетте интрондардан dépour болған және геномға интеграцияланған поли(А) тізбектерін жиі қамтиды. Көптеген ретрогендер аталық гендердің тізбектерімен салыстырғанда гендік реттелуде өзгешеліктерді көрсетеді, бұл кейде жаңа функцияларға алып келеді. Ретрогендер хромосомалық эволюцияны қалыптастыру үшін әртүрлі хромосомалар арасында жылжуға қабілетті.

Анеуплоидия

Анеуплоидия бір хромосоманың бөлшектенбеуі нәтижесінде хромосомалардың қалыпты емес санына алып келеді. Анеуплоидия көбінесе зиянды болады және сүтқоректілерде жиі өздігінен түсікке (ұрықтың жоғалуына) әкеледі. Кейбір анеуплоидты жандар тірі қалады, мысалы, адамдардағы 21-трисомия, ол Даун синдромына себеп болады. Анеуплоидия жиі ген дозасын организм үшін зиянды түрде өзгертеді; сондықтан ол популяцияда таралуы қиын.

Полиплоидия

Полиплоидия, немесе бүкіл геномның еселенуі – мейоз кезіндегі сепарацияның бұзылуының нәтижесінде, бүкіл геномның қосымша көшірмелерінің пайда болуы. Полиплоидия өсімдіктерде кең таралған, бірақ жануарларда да кездеседі, омыртқалылар эволюциясындағы бүкіл геномның екі рет еселенуі (2R оқиғасы) адамға дейін алып келді. Бұл гемиаскомицетті дрожжиларда да ~100 миллион жыл бұрын болған. Бүкіл геном еселенгеннен кейін геномдық тұрақсыздық, гендердің кең ауқымды жоғалуы, нуклеотидтік мутациялардың жоғары деңгейі және реттеуші желілердің қайта құрылуы сияқты салыстырмалы түрде қысқа кезең байқалады. Сонымен қатар, гендік дозаның әсері маңызды рөл атқарады. Сондықтан, көптеген еселенген гендер қысқа мерзім ішінде жоғалады, бірақ едәуір бөлігі сақталады. Қызығы, реттеуге қатысты гендер артық сақталады. Реттеуші гендердің, әсіресе Hox гендерінің сақталуы, адаптивті жаңаруларға әкелді. Еселенген гендердің транскрипциясы деңгейінде тез эволюция және функционалдық дивергенция байқалады, әдетте, қысқа транскрипциялық факторлардың байланысу мотивтеріндегі нүктелік мутациялар арқылы. Сонымен қатар, белоктың фосфорилдану мотивтерінің тез эволюциясы, көбінесе тез эволюциялайтын ішкі тәртіпсіз аймақтарда орналасқан, еселенген гендердің тірі қалуына және тез бейімделуіне/жаңа функцияға ие болуына қосымша фактор болып табылады. Осылайша, гендік реттеу (кем дегенде, трансляциядан кейінгі деңгейде) мен геномдық эволюция арасында байланыс бар сияқты. немесе жеміс шыбындары. Дегенмен, мұндай еселенулердің жиілігін өлшеу қиын болды. Жақындағы зерттеулер C. elegans-тағы гендердің еселенуінің геномдық деңгейдегі жылдамдығының алғашқы тікелей бағасын берді, бұл мұндай бағаны алған алғашқы көпжасушалы эукариот. C. elegans-тағы гендердің еселену жылдамдығы 10−7 еселену/ген/ұрпақ шамасында, яғни 10 миллион құрттар популяциясында бір ұрпақта бір ген еселенеді. Бұл жылдамдық осы түрдегі нуклеотидтік орын бойынша спонтанды нүктелік мутация жылдамдығынан екі рет жоғары. Ескі (тікелей емес) зерттеулер бактерияларда, Drosophila және адамдардағы локусқа қатысты еселену жылдамдықтары 10−3-тен 10−7-ге дейін ген/ұрпақ екенін көрсетті.

Жаңа функционалдылық

Гендердің дубликациялануы эволюциялық жаңалықтардың маңызды көзі болып табылады, олар эволюциялық инновацияларға алып келуі мүмкін. Дубликациялану генетикалық артық көшірмелерді тудырады, онда геннің екінші көшірмесі көбінесе табиғи іріктеу қысымынан босатылады, яғни оның мутациялары ұяшыр организмге зиян келтірмейді. Геннің бір көшірмесі бастапқы функциясына әсер ететін мутацияға ұшыраса, екінші көшірме «қосалқы бөлшек» ретінде қызмет етіп, дұрыс жұмыс істеуін жалғастыра алады. Осылайша, дубликацияланған гендер функционалдық бір ғана генге қарағанда ұрпақтардың келесі буындарына жылдам мутация жинақтайды, және екі көшірмелердің бірі жаңа және ерекше функцияны дамытуы мүмкін. Мұндай неофункционализацияның мысалдарына мұз балықтарының бір түріндегі дубликацияланған ас қорыту генінің антифриз геніне мутациясы, жаңадан пайда болған жылан уыты гені және шошқаларда 1 бета гидрокситестостерон синтезіне әкелген дубликация жатады. Гендердің дубликациялануы эволюцияда маңызды рөл атқарады деп саналады, және ғалымдар қауымы бұл пікірді 100 жылдан астам уақыт бойы қолдайды. Сусуму Оно өзінің «Гендердің дубликациялануы арқылы эволюция» (1970) атты классикалық кітабында осы теорияны ең белгілі дамытушылардың бірі болды. Оно гендердің дубликациялануы жалпы ортақ ата-баба пайда болғаннан бері ең маңызды эволюциялық күш екенін айтты. Ірі геном дубликациялану оқиғалары жиі кездеседі. Ашытқы геномының толығымен дубликацияланғаны шамамен 100 миллион жыл бұрын болды деп есептеледі. Өсімдіктер геномды ең көп дубликациялайтын организмдер болып табылады. Мысалы, бидай гексаплоидты (полиплоидтың бір түрі), яғни оның геномының алты көшірмесі бар.

Субфункционализация

Қалталанған гендердің тағы бір мүмкін тағдыры – екі көшірме де дегенеративті мутацияларды жинақтауға бірдей мүмкіндік алады, егер де кез келген кемшіліктер екінші көшірмемен толықтырылса. Бұл бейтарап "субфункционализацияға" (конструктивті бейтарап эволюция процесі) немесе DDC (дупликация-дегенерация-комплементация) моделіне алып келеді, онда бастапқы геннің қызметі екі көшірмеге бөлінеді. Екеуі де жоғалуы мүмкін емес, себебі екеуі де маңызды, қайталамайтын қызметтерді атқарады, бірақ соңында екеуі де жаңа қызметке қол жеткізе алмайды. Субфункционализация зиянды немесе пайдалы әсерлерсіз мутациялар жинақталатын бейтарап процестер арқылы жүзеге асуы мүмкін. Дегенмен, кейбір жағдайларда субфункционализация айқын бейімделу артықшылықтарымен жүзеге асуы мүмкін. Егер ататек генінің плейотроптық қасиеті болса және ол екі қызмет атқарса, онда көбінесе осы екі қызметтің біреуін екіншісіне әсер етпей өзгертуге болмайды. Осылайша, ататек қызметтерін екі жеке генге бөлу субфункциялардың бейімделуші мамандануына мүмкіндік береді, соның арқасында бейімделу артықшылығы қамтамасыз етіледі.

Жоғалту

Көп жағдайда нәтижесінде туындаған геномдық өзгерістер Ретт синдромы және Пелизеус-Мерцбахер ауруы сияқты ген дозасына тәуелді неврологиялық ауруларға алып келеді. Мұндай зиянды мутациялар популяциядан жойылуы мүмкін және сақталмайды немесе жаңа функцияларды дамытпайды. Дегенмен, көптеген дупликациялар, шындығында, зиянды немесе пайдалы емес, ал осы бейтарап тізбектер жоғалуы немесе генетикалық дрейф арқылы кездейсоқ ауытқулар нәтижесінде популяцияда таралуы мүмкін.

Критерийлер және бір геномды сканерлеу

Гендердің дубликациясынан кейін пайда болған екі ген паралогтар деп аталады және әдетте ұқсас функциялы және/немесе құрылымды ақуыздарды кодтайды. Керісінше, әртүрлі түрлерде кездесетін ортологты гендер, олардың әрқайсысы бастапқыда бірдей ата-бабалар тізбегінен туындаған. (Генетикадағы тізбектердің гомологиясын қараңыз). Биологиялық зерттеулерде паралогтар мен ортологтарды ажырату маңызды (бірақ көбінесе қиын). Адам гендерінің функциясын зерттеу үшін жүргізілетін эксперименттерді басқа түрлерде де орындауға болады, егер сол түрдің геномында адам геніне гомолог табылса, бірақ гомолог тек ортолог болған жағдайда ғана. Егер олар паралогтар болса және гендердің дубликациясы нәтижесінде пайда болған болса, олардың функциялары тым әртүрлі болуы мүмкін. Гендер отбасын құрайтын дубликацияланған гендердің бір немесе бірнеше көшірмелері, олардың тізбектерінде маңызды өзгерістерге алып келетін және соңында дивергентті эволюцияға жауапты болатын транспозицияланатын элементтердің енгізілуіне ұшырауы мүмкін. Бұл гендердің дубликаттарының гомологтары арасындағы геннің конверсиясының мүмкіндігі мен жылдамдығын олардың тізбектерінің ұқсас немесе толыққанды ұқсамауына байланысты азайтуы мүмкін. Паралогтарды бір геномда барлық анотацияланған гендердің модельдерін бір-бірімен салыстыру арқылы анықтауға болады. Мұндай салыстыруды аудармаланған аминқышқылдарының тізбектерімен (мысалы, BLASTp, tBLASTx) көне дубликацияларды анықтау үшін немесе ДНК нуклеотидтерінің тізбектерімен (мысалы, BLASTn, megablast) жақындағы дубликацияларды анықтау үшін жүргізуге болады. Гендердің дубликациясын анықтауға арналған көптеген зерттеулерде өзара жақсы сәйкестіктер немесе шашыраңқы өзара жақсы сәйкестіктер қажет, онда әр паралог тізбек салыстыруда екіншісі үшін жалғыз ең жақсы сәйкес болуы керек. Көптеген гендердің дубликациялары төмен көшірмелі қайталаулар (LCR) түрінде, транспозицияланатын элементтер сияқты жоғары қайталанатын тізбектер ретінде кездеседі. Олар көбінесе хромосоманың перицентрономиялық, субтеломерлік және интерстициалдық аймақтарында табылсады. Көптеген LCR-лер, олардың мөлшері (>1Кб), ұқсастығы және бағыты бойынша, дубликацияға және жойылуға өте сезімтал.

Геномдық микроаррейлер қайталануды анықтайды

Геномдық микроаррелер сияқты технологиялар, сондай-ақ массивтік салыстырмалы геномдық гибридтеу (массивтік СGH) деп аталатын технологиялар, геномдық ДНҚ үлгілерінен хромосомалық аномалияларды, мысалы микродупликацияларды, жоғары өнімділікпен анықтауға қолданылады. Атап айтқанда, ДНК микроаррей технологиясы көптеген емдеулер немесе тәжірибелік жағдайларда мыңдаған гендердің экспрессия деңгейін бір уақытта бақылауға мүмкіндік береді, бұл гендердің дубликациясы немесе түр пайдалуынан кейін гендік реттелудің эволюциялық зерттеулерін қатты жеңілдетеді.

Келесі буынды секвенирлеу

Гендердің дубликацияларын жаңа буын секвенирлеу платформаларын пайдалану арқылы да анықтауға болады. Геномдық қайта секвенирлеу деректерінде дубликацияларды анықтаудың ең оңай жолы – жұпталған ұштарды секвенирлеу арқылы. Тандемді дубликациялар секвенирлеу оқылымдарының қалыптан тыс бағытта карталанған жұптарымен белгіленеді. Көтерілген секвенирлеу жабу және қалыптан тыс карталау бағыттарының үйлесімі арқылы геномдық секвенирлеу деректерінде дубликацияларды анықтау мүмкін.

Номенклатура

Адам цитогеномдық номенклатурасының халықаралық жүйесі (ISCN) – адам хромосомаларының номенклатурасы үшін халықаралық стандарт болып табылады, оған адам хромосомаларын және хромосомалық аномалияларды сипаттауда қолданылатын жолақты атаулар, символдар мен қысқартылған терминдер кіреді. Қысқартулардың бірі – хромосоманың бөліктерінің дубликациясын білдіретін "dup" белгісі. Мысалы, dup(17p12) 1А типіндегі Шарко-Мари-Тіс ауруына себеп болады.

Көшейткіш ретінде

Гендердің көбейуі түрдің геномында міндетті түрде тұрақты өзгерістерге алып келмейді. Шындығында, мұндай өзгерістер көбінесе бастапқы қабылдаушы организмнен кейін ұзаққа сақталмайды. Молекулалық генетика тұрғысынан қарағанда, генді күшейту – геннің жоғары экспрессиялануының көптеген жолдарының бірі. Генетикалық күшейту жасанды түрде, мысалы, ферменттерді пайдаланып, ДНК-ның қысқа тізбектерін in vitro жағдайында күшейтуге арналған полимераза тізбекті реакциясы (ПТР) техникасын қолдану арқылы немесе жоғарыда сипатталғандай, табиғи жолмен жүзеге асуы мүмкін. Егер бұл табиғи көбейілу болса, онда ол ұрықтық клеткада емес, соматикалық клеткада (эволюциялық тұрақты өзгеріс үшін қажетті) орын алуы мүмкін.