Кіріспе
Геннің функционалды емес туысы, ДНҚ-ның функционалды емес сегменттері. Псевдогендер – функционалды гендерге ұқсас, бірақ функционалды емес ДНҚ сегменттері. Көбінесе олар функционалды гендердің артық көшірмелері ретінде пайда болады, геннің дубликациялануы арқылы тікелей немесе мРНК транскриптінің кері транскрипциялануы арқылы жанама түрде. Псевдогендер әдетте геномдық тізбектерді талдау кезінде анықталады, олар транскрипция немесе трансляция үшін қажетті реттеуші тізбектерден айырылған немесе кадрлық ығысулар немесе ерте тоқтату кодондары салдарынан кодтау тізбектерінде анық ақаулар бар. Псевдогендер – «құрсақ ДНҚ»-ның бір түрі. Бактериялық емес геномдардың көпшілігінде функционалды гендер санымен шамалас көптеген псевдогендер кездеседі. Бұл осылай болуы заңды, себебі әртүрлі биологиялық процестер кездейсоқ түрде псевдогендерді жасайды, ал оларды геномнан жоюға арналған арнайы механизмдер жоқ. Соңында псевдогендер ДНК репликациясының немесе ДНК жөндеу қателіктерінің нәтижесінде геномнан жойылуы мүмкін, немесе олар бұрынғы гендер ретінде танылмайтын көптеген мутациялық өзгерістерді жинақтауы мүмкін. Бұл дегенерациялық процестерді талдау геномдағы таңдауға қатыспайтын процестердің әсерін түсінуге көмектеседі. Псевдогендік тізбектер ата-тегінен қалған промотор элементтерінің немесе жаңа мутациялардың нәтижесінде төмен деңгейде РНК-ға транскрипциялануы мүмкін. Бұл транскрипттердің көпшілігі геномның басқа бөліктерінен алынған кездейсоқ транскрипттерден артық функционалдық маңызға ие болмаса да, кейбіреулері пайдалы реттеуші РНК-лар мен жаңа белоктардың пайда болуына себепкер болды.
nonfunctional segments of DNA
Pseudogenes are nonfunctional segments of DNA that resemble functional genes. Most arise as superfluous copies of functional genes, either directly by gene duplication or indirectly by reverse transcription of an mRNA transcript. Pseudogenes are usually identified when genome sequence analysis finds gene like sequences that lack regulatory sequences needed for transcription or translation, or whose coding sequences are obviously defective due to frameshifts or premature stop codons. Pseudogenes are a type of junk DNA. Most non bacterial genomes contain many pseudogenes, often as many as functional genes. This is not surprising, since various biological processes are expected to accidentally create pseudogenes, and there are no specialized mechanisms to remove them from genomes. Eventually pseudogenes may be deleted from their genomes by chance of DNA replication or DNA repair errors, or they may accumulate so many mutational changes that they are no longer recognizable as former genes. Analysis of these degeneration events helps clarify the effects of non selective processes in genomes. Pseudogene sequences may be transcribed into RNA at low levels, due to promoter elements inherited from the ancestral gene or arising by new mutations. Although most of these transcripts will have no more functional significance than chance transcripts from other parts of the genome, some have given rise to beneficial regulatory RNAs and new proteins.
Қасиеттері
Псевдогендер әдетте белгілі генге ұқсастық және кейбір функционалдылықтың жоғалуымен сипатталады. Яғни, әрбір псевдогеннің белгілі бір функционалдық генге ұқсас ДНК тізбегі болғанымен, олар көбінесе функционалды соңғы ақуыз өнімдерін өндіре алмайды. Псевдогендерді геномдарда анықтау және сипаттау кейде қиынға соғады, себебі ұқсастық пен функционалдылықтың жоғалуының екі талабы көбінесе биологиялық дәлелденгеннен гөрі тізбектерді салыстыру арқылы түсіндіріледі. Гомология – псевдогеннің және белгілі геннің ДНК тізбектерінің өзара ұқсастығы. Екі тізбекті салыстырғаннан кейін, бірдей негіз жұптарының пайызы есептеледі. Жоғары тізбек сәйкестігі осы екі тізбектің ортақ ататек реттіліктен дамығандығын (гомологты) көрсетеді және олардың тәуелсіз дамуының ықтималдығы төмен (Конвергенттік эволюцияға қараңыз). Функционалдық жоқ болу әртүрлі жолдармен көрінеді. Әдетте, ген толыққанды жұмыс істейтін ақуызға айналу үшін бірнеше қадамнан өтуі керек: транскрипция, пре-мРНҚ өңдеу, трансляция және ақуыз бүктелу – бұл процестің барлық қажетті бөліктері. Осы қадамдардың бірі сәтсіз аяқталса, тізбек функционалды емес деп есептелуі мүмкін. Жоғары өнімді псевдогенді анықтауда ең көп кездесетін бұзушылықтар – функционалды ақуыз өнімінің трансляциясын тоқтатып тастайтын ерте тоқтату кодондары және сдвигтер. РНҚ гендерінің псевдогендерін анықтау әдетте қиынырақ, өйткені оларды трансляциялау қажеттілігі жоқ, сондықтан «оқу тізбектері» болмайды. рРНҚ тізбектерінің соңғы бөліктеріндегі өзгерістер негізінде бірқатар рРНҚ псевдогендері анықталды. Псевдогендер молекулалық генетикалық зерттеулерді қиындатады. Мысалы, ПТР арқылы генді күшейту, бір уақытта ұқсас тізбектерді бөлісетін псевдогенді күшейтуі мүмкін. Бұл ПТР-да немесе күшейтуде байқалатын бұрмалаушылық деп аталады. Сол сияқты, псевдогендер кейде геном тізбектерінде гендер ретінде жіктеледі. Өңделген псевдогендер көбінесе гендік болжау бағдарламалары үшін қиындық туғызады, олар жиі нақты гендер немесе экзондар ретінде қате жіктеледі. Өңделген псевдогендерді анықтау гендік болжау әдістерінің дәлдігін арттыруға көмектеседі деп ұсынылған. 2014 жылы 140 адам псевдогенінің трансляцияланатыны көрсетілді. Алайда, ақуыз өнімдерінің функциясы белгісіз.
Түрлері мен шығу тегі
Псевдогендердің төрт негізгі түрі бар, олардың әрқайсысының өзіндік пайда болу механизмі мен ерекше белгілері бар. Псевдогендердің жіктелуі төмендегідей:
Өңделді
Жоғары эукариоттарда, әсіресе сүтқоректілерде ретротранспозиция – геном құрамына зор әсер еткен, жиі кездесетін құбылыс. Мысалы, адам геномының 30-44% SINE және LINE сияқты қайталанатын элементтерден тұрады (ретротранспозонға қараңыз). Ретротранспозиция процесінде геннің мРНК немесе хнРНК транскриптісінің бөлігі спонтанды түрде кері ДНК-ға транскрипцияланып, хромосомалық ДНК-ға енгізіледі. Ретротранспозондар көбінесе өздерінің көшірмелерін жасағанымен, in vitro жүйесінде олар кездейсоқ гендердің ретротранспозицияланған көшірмелерін де жасай алатыны көрсетілді. Бұл псевдогендер геномға қайта енгізілгеннен кейін әдетте поли(А) құйрығын қамтиды және көбінесе интрондары жойылған болады; бұл екеуі де кДНК-ның айқын белгілері. Дегенмен, олар РНК өнімінен туындағандықтан, өңделген псевдогендерде қалыпты гендердің промоторлары болмайды, сондықтан олар "денесі тірі келмейді", ретротранспозиция оқиғасынан кейін бірден функционалды емес псевдогендерге айналады. Алайда, бұл енгізілімдер кейде альтернативті тігілу арқылы қолданыстағы гендерге экзондарды қосады. Өңделген псевдогендердің тағы бір ерекшелігі – 5’ ұшының ата-аналық тізбекке қатысты жиі қысқаруы, бұл өңделген псевдогендерді құрайтын ретротранспозиция механизмінің жетілмегендігінен туындайды. Өңделген псевдогендер приматтарда үнемі пайда болып тұрады. Мысалы, адам популяцияларында әр жеке тұлғада өңделген псевдогендердің ерекше жиынтығы кездеседі. Өңделген псевдогендер өңделмеген псевдогендерге қарағанда жылдам мутация жинақтайтыны дәлелденді.
Өңделмеген (көшірілген)
Гендердің дубликациясы геномдардың эволюциясындағы тағы бір кең таралған және маңызды процесс болып табылады. Геннің функционалды көшірмесі, мысалы, қате орналасқан хромосомалардағы қайталанатын SINE тізбектеріндегі гомологты рекомбинация нәтижесінде туындаған геннің дубликациялану оқиғасынан пайда болуы мүмкін, содан кейін көшірме бастапқы геннің функциясын жоғалтуға себеп болатын мутациялар жинауы мүмкін. Дубликацияланған псевдогендер әдетте гендерге тән сипаттамаларға ие, соның ішінде толық экзон-интрон құрылымы мен реттеуші тізбектерді қамтиды. Дубликацияланған геннің функционалдығын жоғалту әдетте организмнің тіршілік қабілетіне аз әсер етеді, себебі жарамды функционалды көшірме әлі де сақталады. Кейбір эволюциялық модельдерге сәйкес, ортақ дубликацияланған псевдогендер адамдар мен басқа приматтардың эволюциялық байланысын көрсетеді. Егер псевдогендеу геннің дубликациялануына байланысты болса, онда ол әдетте геннің дубликацияланғаннан кейінгі алғашқы бірнеше миллион жыл ішінде, ген кез келген таңдау қысымына ұшырамаса пайда болады. Гендердің дубликациясы функционалдық артықшылықты тудырады және екі толықтай бірдей генді алып жүру әдетте тиімді емес. Екі геннің бірінің құрылымын немесе функциясын бұзатын мутациялар зиянды емес және таңдау процесі арқылы алынып тасталмайды. Нәтижесінде, мутацияланған ген бірте-бірте псевдогенге айналады және экспрессияланбайды немесе функциясыз болады. Эволюциялық тағдырдың осы түрі популяциялық генетикалық модельдеу және геномдық талдау арқылы көрсетілген. Эволюциялық контекстке сәйкес, бұл псевдогендер жойылуы мүмкін немесе аталық гендерден соншалықты ерекшеленеді, оларды енді анықтау мүмкін болмайды. Жақын арада пайда болған псевдогендер олардың тізбектік ұқсастығы арқасында танылуы мүмкін.
Бiрлiктi псевдогендер
Түрлі мутациялар (мысалы, индельдер және нонсенс-мутациялар) геннің қалыпты түрде транскрипциялануына немесе аударылуына кедергі келтіруі мүмкін, сондықтан геннің қызметі азайып немесе тоқтауы мүмкін, яғни "деактивациялануы" мүмкін. Бұл механизмдер өңделмеген гендердің псевдогендерге айналуымен ұқсас, бірақ бұл жағдайда айырмашылық псевдогенге айналудан бұрын геннің көшірмеленбегендігінде. Әдетте, мұндай псевдоген популяцияда орнығуы қиын, бірақ генетикалық дрейф, популяциялық тартылыс сияқты түрлі популяциялық факторлар немесе кейбір жағдайларда табиғи іріктеу оның орнығуына алып келуі мүмкін. Бірлік псевдогеннің классикалық мысалы – приматтарда L-гулоно γ-лактоноксидаза (GULO) ферментін кодтаған ген. Приматтардан басқа барлық зерттелген сүтқоректілерде (қояннан басқа) GULO аскорбин қышқылының (С витамині) биосинтезіне көмектеседі, бірақ ол адамдарда және басқа приматтарда бұзылған ген (GULOP) түрінде кездеседі. Жақындағы тағы бір мысал – бұл, каспаза 12 генінің (мағынасыз мутация арқылы) деактивациялануының адамдардағы оңтайлы таңдаумен байланысты екендігін көрсетеді.
Белоктарды кодтау: ""
ДНҚ тізбектеу технологияларының жылдам дамуы гендік болжау әдістерін қолдана отырып, көптеген жалған гендерді анықтауға алып келді. Псевдогендер көбінесе болжамды мРНҚ тізбегінде ерте тоқтату кодонының пайда болуымен сипатталады, бұл теория бойынша бастапқы геннің қалыпты ақуыз өнімінің синтезін (аудармасын) болдырмауы керек. Сүтқоректілерде мұндай ерте тоқтату кодондары арқылы трансляциялық оқу туралы бірнеше хабарламалар бар. Жоғарыда көрсетілгендей, мұндай оқудың нәтижесінде алынған ақуыз өнімінің шағын мөлшері танылып, белгілі бір деңгейде функциялық болуы мүмкін. Егер осылай болса, псевдоген табиғи іріктеуге ұшырауы мүмкін. Бұл Drosophila түрлерінің эволюциясы барысында орын алған сияқты. 2016 жылы бірнеше Drosophila түрлеріндегі төрт болжамды псевдогеннің биологиялық маңызды функциялары бар ақуыздарды кодтайтыны хабарланды, бұл "мұндай 'псевдопсевдогендер' кең таралған құбылыс болуы мүмкін" деген ойға жетеледі. Мысалы, Ir75a генінен алынған функционалды ақуыз (глутаматты сезу рецепторы) тек нейрондарда ғана кездеседі. In silico талдау арқылы псевдогендер ретінде жіктелуі мүмкін, тіндік ерекшеліктері бар биологиялық функциялық гендердің табылуы тізбек деректерін талдауды қиындатады. Ол in vivo функционалды алкоголь дегидрогеназа ферментін кодтайды. 2012 жылғы мәліметтерге сәйкес, адам геномында шамамен 12 000–14 000 псевдоген бар. 2016 жылғы протеогеномикалық талдау, пептидтердің массалық спектрометриясын қолдана отырып, 16 271 геннен немесе гендер кластерлерінен алынған кем дегенде 19 262 адам ақуызын анықтады, соның ішінде бұрын псевдогендер деп есептелген 8 жаңа ақуызды кодтайтын гендер табылды. Алдыңғы талдаулар адамда бұрын псевдоген деп саналған PGAM4 (фосфоглицерат мутазасы) ғана емес, сонымен қатар мутацияланған жағдайда бедеулікке әкелетінін көрсетті. Прокариоттарда да бірқатар псевдопсевдогендер табылды, онда маңызды гендердегі кейбір тоқтату кодонының орны ауыстырылған, тіпті оларға оңтайлы іріктеу жасалған сияқты.
Белсенді кодтамайтын
siРНК-лар. Кейбір эндогенді siРНК-лар псевдогендерден туындаған сияқты, сондықтан кейбір псевдогендер ақуызды кодтайтын транскрипттерді реттеуде рөл атқарады, бұл туралы зерттемелерде айтылған. Мысалдардың бірі – psiPPM1K. psiPPM1K-дан транскрипцияланған РНК-ның өңделуі гепатоклеткалық карцинома – бауырдың ең көп таралған қатерлі ісігін басуға қабілетті siРНК-ларды тудырады. Осы және көптеген басқа зерттеулер псевдогендерді терапиялық мақсаттарда қолдану мүмкіндігіне үлкен қызығушылық тудырды. piРНК-лар. Кейбір piРНК-лар piРНК кластерлерінде орналасқан псевдогендерден шығады. Бұл piРНК-лар сүтқоректі жануарлардың ұрықтарындағы piРНК жолы арқылы гендерді реттейді және геномға енетін транспозондық элементтердің зиянын шектеуде маңызды рөл атқарады. микроРНК-лар. Псевдоген транскрипттерінің микроРНК-ның «алдаушысы» ретінде әрекет етуі туралы көптеген хабарламалар бар. Бұл құбылысқа қатысты ең алғашқы және нақты мысал – BRAF псевдогені. BRAF гені – протоонкоген, ол мутацияға ұшырағанда көптеген қатерлі ісіктерге байланысты. Әдетте, BRAF ақуызының мөлшері клеткаларда miRNA әсері арқылы бақыланады. Қалыпты жағдайда BRAF-тан алынған РНК және BRAFP1 псевдогені miRNA үшін бәсекелеседі, бірақ екі РНК-ның арақатынасы жасушалардың қалыпты өсуін қамтамасыз етеді. Дегенмен, BRAFP1 РНК экспрессиясы артқанда (эксперименттік жолмен немесе табиғи мутациялар нәтижесінде), BRAF экспрессиясын бақылау үшін жеткіліксіз miRNA болады, соның салдарынан BRAF ақуызының артуы қатерлі ісікке алып келеді. Геномға енген эндогенді РНК-лардың реттеуші элементтер үшін осылай бәсекелесуі ceRNA терминін тудырды. PTEN. PTEN гені белгілі бір ісікке қарсы ген. PTEN псевдогені, PTENP1 – өңделген псевдоген, оның генетикалық тізбегі жабайы типтегі генге өте ұқсас. Алайда, PTENP1-де қате мәнді мутация бар, ол бастаушы метиониннің кодонын жояды, нәтижесінде қалыпты PTEN ақуызының трансляциясы болмайды. Осыған қарамастан, PTENP1 онкогенезде рөл атқарады. PTENP1 мРНК-ның 3' UTR PTEN геніне ұқсас болғандықтан микроРНК-ларды «алдап», PTEN мРНК-ның «алдаушысы» ретінде әрекет етеді, ал 3' UTR-ның жоғары экспрессиясы PTEN ақуызының деңгейінің артуына әкеледі. Яғни, PTENP1 3' UTR-ның жоғары экспрессиясы қатерлі ісіктердің реттелуін және басуын күшейтеді. Бұл жүйенің биологиясы жоғарыда сипатталған BRAF жүйесіне кері. Потогендер. Псевдогендер эволюциялық уақыт шкаласында гендердің түрленуіне және басқа да мутациялық оқиғаларға қатысып, жаңа немесе жаңадан функционалдық гендердің пайда болуына себеп болуы мүмкін. Осыған байланысты псевдогендерді потогендер деп қарастыруға болады: эволюциялық әртараптандыруға арналған потенциалды гендер.
piRNAs. Some piRNAs are derived from pseudogenes located in piRNA clusters. Those piRNAs regulate genes via the piRNA pathway in mammalian testes and are crucial for limiting transposable element damage to the genome. microRNAs. There are many reports of pseudogene transcripts acting as microRNA decoys. Perhaps the earliest definitive example of such a pseudogene involved in cancer is the pseudogene of BRAF. The BRAF gene is a proto oncogene that, when mutated, is associated with many cancers. Normally, the amount of BRAF protein is kept under control in cells through the action of miRNA. In normal situations, the amount of RNA from BRAF and the pseudogene BRAFP1 compete for miRNA, but the balance of the 2 RNAs is such that cells grow normally. However, when BRAFP1 RNA expression is increased (either experimentally or by natural mutations), less miRNA is available to control the expression of BRAF, and the increased amount of BRAF protein causes cancer. This sort of competition for regulatory elements by RNAs that are endogenous to the genome has given rise to the term ceRNA. PTEN. The PTEN gene is a known tumor suppressor gene. The PTEN pseudogene, PTENP1 is a processed pseudogene that is very similar in its genetic sequence to the wild type gene. However, PTENP1 has a missense mutation which eliminates the codon for the initiating methionine and thus prevents translation of the normal PTEN protein. In spite of that, PTENP1 appears to play a role in oncogenesis. The 3' UTR of PTENP1 mRNA functions as a decoy of PTEN mRNA by targeting micro RNAs due to its similarity to the PTEN gene, and overexpression of the 3' UTR resulted in an increase of PTEN protein level. That is, overexpression of the PTENP1 3' UTR leads to increased regulation and suppression of cancerous tumors. The biology of this system is basically the inverse of the BRAF system described above. Potogenes. Pseudogenes can, over evolutionary time scales, participate in gene conversion and other mutational events that may give rise to new or newly functional genes. This has led to the concept that pseudogenes could be viewed as potogenes: potential genes for evolutionary diversification.
Бактериялық псевдогендер
Псевдогендер бактерияларда кездеседі. Олардың көпшілігі еркін тіршілік етпейтін бактерияларда табылады; яғни, олар симбионттар немесе міндетті жасуша ішіндегі паразиттер. Сондықтан, оларға еркін тіршілік ететін бактерияларға қажетті көптеген гендер қажет емес, мысалы, метаболизм және ДНҚ жөндеуімен байланысты гендер. Дегенмен, функционалды гендердің қандай ретпен бірінші болып жоғалатынының белгілі бір тәртібі жоқ. Мысалы, Mycobacterium leprae-дегі ең көне псевдогендер РНК полимеразаларында және екіншілік метаболиттердің биосинтезінде кездеседі, ал Shigella flexneri және Shigella typhi-дегі ең көнелері ДНҚ репликациясы, рекомбинациясы және жөндеуіне қатысты. Псевдогендерді тасымалдайтын көптеген бактериялар симбионттар немесе міндетті жасуша ішіндегі паразиттер болғандықтан, геном мөлшері біртіндеп төмендейді. Соның бір мысалы – Mycobacterium leprae геномы, ол міндетті паразит және мәйіс ауруын қоздырады. Оның 1133 псевдогені бар екені хабарланды, бұл оның транскриптомының шамамен 50% құрайды. Геномды қысқарту псевдогендерден арылу арқылы ненің қажет емес екеніне назар аударғанымен, иесінен (хосттан) түсетін таңдау қысымы нені сақтау керектігіне әсер етуі мүмкін. Verrucomicrobiota тайпасына жататын симбионттың жағдайында манделалид жолын кодтаушы геннің жеті қосымша көшірмесі бар. Иесі, Lissoclinum түрінің өкілдері, манделалидтерді өз қорғаныс механизмі ретінде пайдаланады.