Введение

Дублирование последовательности гена в геноме. Дублирование генов (или дублирование хромосом, или амплификация генов) — основной механизм, посредством которого создается новый генетический материал в ходе молекулярной эволюции. Его можно определить как любое удвоение участка ДНК, содержащего ген. Дублирование генов может возникать в результате различных ошибок в механизмах репликации и репарации ДНК, а также в результате случайного захвата эгоистичными генетическими элементами. К распространенным причинам дублирования генов относятся эктопическая рекомбинация, ретротранспозиция, анеуплоидия, полиплоидия и проскальзывание репликации.

Внематочная рекомбинация

Дубликации возникают в результате события, называемого неравным кроссинговером, которое происходит во время мейоза между несовпадающими гомологичными хромосомами. Вероятность его возникновения зависит от степени общности повторяющихся элементов между двумя хромосомами. Продуктами этой рекомбинации являются дупликация в месте обмена и реципрокная делеция. Эктопическая рекомбинация обычно опосредуется сходством последовательностей в точках разрыва дупликаций, которые формируют прямые повторы. Повторяющиеся генетические элементы, такие как транспозоны, являются одним из источников повторяющейся ДНК, способствующей рекомбинации, и часто обнаруживаются в точках разрыва дупликаций у растений и млекопитающих.

Сдвиг репликации

Смещение репликации — это ошибка в репликации ДНК, которая может приводить к дупликации коротких генетических последовательностей. Во время репликации ДНК-полимераза начинает копировать ДНК. В какой-то момент процесса репликации полимераза диссоциирует от ДНК, и репликация останавливается. Когда полимераза вновь присоединяется к цепи ДНК, она выравнивает копирующую цепь с неверной позиции и, таким образом, копирует один и тот же участок более одного раза. Повторяющиеся последовательности часто облегчают смещение репликации, но для этого требуется лишь небольшое сходство в нескольких основаниях.

Ретротранспозиция

Ретротранспозоны, главным образом L1, способны эпизодически воздействовать на клеточную мРНК. Транскрипты подвергаются обратной транскрипции в ДНК и встраиваются в случайные участки генома, формируя ретрогены. Получающиеся последовательности обычно лишены интронов и часто содержат поли(А)-последовательности, которые также интегрируются в геном. Многие ретрогены демонстрируют изменения в регуляции генов по сравнению с их исходными генными последовательностями, что иногда приводит к возникновению новых функций. Ретрогены могут перемещаться между разными хромосомами, влияя на эволюцию хромосом.

Анеуплоидия

Анеуплоидия возникает, когда нарушение расхождения хромосом в одной хромосоме приводит к аномальному числу хромосом. Анеуплоидия часто вредна и у млекопитающих обычно вызывает спонтанные аборты (выкидыши). Некоторые особи с анеуплоидией жизнеспособны, например, трисомия 21 у человека, вызывающая синдром Дауна. Анеуплоидия часто изменяет дозировку генов таким образом, что это негативно сказывается на организме; поэтому она вряд ли распространится в популяциях.

Полиплоидия

Полиплоидия, или дублирование целого генома, является результатом нерасхождения хромосом во время мейоза, приводящего к появлению дополнительных копий всего генома. Полиплоидия широко распространена у растений, но также встречается и у животных, включая два раунда дублирования всего генома (событие 2R) в линии позвоночных, ведущей к человеку. Она также происходила у гемиаскомицетных дрожжей около 100 миллионов лет назад. После дублирования целого генома наблюдается относительно короткий период геномной нестабильности, значительная потеря генов, повышенный уровень нуклеотидных замен и перестройка регуляторных сетей. Кроме того, важную роль играют эффекты дозировки генов. Таким образом, большинство дубликатов теряются в течение короткого времени, однако существенная часть дубликатов сохраняется. Интересно, что предпочтительно сохраняются гены, участвующие в регуляции. Более того, сохранение регуляторных генов, особенно генов Hox, привело к адаптивным инновациям. Быстрая эволюция и функциональная дивергенция наблюдаются на уровне транскрипции дублированных генов, как правило, посредством точечных мутаций в коротких мотивах связывания факторов транскрипции. Кроме того, быстрая эволюция мотивов фосфорилирования белков, обычно встроенных в быстро эволюционирующие внутренне неупорядоченные области, является еще одним фактором, способствующим выживанию и быстрой адаптации/неофункционализации дублированных генов. Таким образом, существует связь между регуляцией генов (по крайней мере, на посттрансляционном уровне) и эволюцией генома. или плодовых мушек. Однако было сложно измерить скорость, с которой происходят такие дублирования. Недавние исследования предоставили первую прямую оценку скорости дублирования генов в масштабе всего генома у *C. elegans* – первого многоклеточного эукариота, для которого такая оценка стала доступна. Скорость дублирования генов у *C. elegans* составляет порядка 10−7 дубликаций/ген/поколение, то есть в популяции из 10 миллионов червей у одного организма будет дубликация гена в каждом поколении. Эта скорость на два порядка выше, чем спонтанная скорость точечных мутаций на нуклеотидный сайт у этого вида. Более ранние (косвенные) исследования сообщали о скорости дублирования у бактерий, дрозофил и людей, варьирующейся от 10−3 до 10−7/ген/поколение.

Неофункционализация

Дубликация генов является важным источником генетической новизны, способным приводить к эволюционным инновациям. Дублирование создает генетическую избыточность, при которой вторая копия гена часто свободна от селективного давления – то есть, мутации в ней не оказывают вредного воздействия на организм-хозяина. Если одна копия гена подвергается мутации, влияющей на его изначальную функцию, вторая копия может служить «запасной частью» и продолжать функционировать правильно. Таким образом, дублированные гены накапливают мутации быстрее, чем функциональная копия гена в течение поколений организмов, и становится возможным развитие у одной из двух копий новой, отличной функции. Примерами такой неофункционализации являются, например, очевидная мутация дублированного гена, отвечающего за пищеварение, у семейства ледяных рыб в ген, кодирующий антифриз, а также дублирование, приведшее к новому гену змеиного яда и синтезу 1 бета-гидрокситестостерона у свиней. Считается, что дубликация генов играет ключевую роль в эволюции; эта точка зрения поддерживается научным сообществом уже более 100 лет. Сусуму Оно был одним из наиболее известных разработчиков этой теории, изложив ее в своей классической книге «Эволюция путем дублирования генов» (1970). Оно утверждал, что дубликация генов – наиболее важная эволюционная сила со времен появления универсального общего предка. Крупномасштабные события дублирования генома могут быть довольно распространены. Предполагается, что весь геном дрожжей подвергся дублированию около 100 миллионов лет назад. Растения – наиболее активные дубликаторы генома. Например, пшеница является гексаплоидной (вид полиплоидии), то есть содержит шесть копий своего генома.

Субфункционализация

Другая возможная судьба дублированных генов заключается в том, что обе копии одинаково свободны накапливать дегенеративные мутации, пока любые недостатки компенсируются другой копией. Это приводит к нейтральной "субфункционализации" (процессу конструктивной нейтральной эволюции) или модели DDC (дупликация-дегенерация-комплементация), в которой функциональность исходного гена распределяется между двумя копиями. Ни один из генов не может быть утерян, поскольку оба теперь выполняют важные, не избыточные функции, но в конечном итоге ни один из них не способен приобрести новую функциональность. Субфункционализация может происходить посредством нейтральных процессов, в которых мутации накапливаются без вредных или полезных эффектов. Однако в некоторых случаях субфункционализация может происходить с явными адаптивными преимуществами. Если исходный ген является плеиотропным и выполняет две функции, то часто ни одна из этих двух функций не может быть изменена без влияния на другую. Таким образом, разделение исходных функций на два отдельных гена может позволить адаптивную специализацию подфункций, тем самым обеспечивая адаптивное преимущество.

Потеря

Часто возникающие в результате геномных вариаций изменения приводят к неврологическим расстройствам, зависящим от генной дозы, таким как синдром, подобный синдрому Ретта, и болезнь Пелизеуса-Мерцбахера. Вероятно, такие пагубные мутации будут удалены из популяции и не сохранятся или не приобретут новые функции. Однако многие дупликации на самом деле не являются ни вредными, ни полезными, и эти нейтральные последовательности могут быть потеряны или распространиться в популяции посредством случайных колебаний в результате генетического дрейфа.

Критерии и сканирование одного генома

Два гена, возникающие после дупликации гена, называются паралогами и обычно кодируют белки со сходной функцией и/или структурой. В отличие от них, ортологи – это гены, присутствующие у разных видов, каждый из которых изначально произошел от одной и той же предковой последовательности. (См. Гомология последовательностей в генетике). Важно (но часто сложно) различать паралоги и ортологи в биологических исследованиях. Эксперименты по изучению функции генов человека часто можно проводить на других видах, если в геноме этого вида найден гомолог человеческого гена, но только если этот гомолог является ортологом. Если же это паралоги, возникшие в результате дупликации гена, их функции, скорее всего, будут слишком сильно различаться. На одну или несколько копий дуплицированных генов, составляющих генное семейство, может повлиять вставка транспозонов, что приводит к значительным различиям в их последовательности и, в конечном итоге, может стать причиной дивергентной эволюции. Это также может снизить вероятность и скорость конверсии генов между гомологами дупликатов генов из-за уменьшения или отсутствия сходства в их последовательностях. Паралоги можно идентифицировать в отдельных геномах путем сравнения последовательностей всех аннотированных моделей генов друг с другом. Такое сравнение можно проводить на основе транслированных аминокислотных последовательностей (например, BLASTp, tBLASTx) для выявления древних дупликаций или на основе нуклеотидных последовательностей ДНК (например, BLASTn, megablast) для выявления более поздних дупликаций. Большинство исследований, направленных на выявление дупликаций генов, требуют взаимных наилучших соответствий или нечетких взаимных наилучших соответствий, при которых каждый паралог должен быть единственным наилучшим соответствием для другого в сравнении последовательностей. Большинство дупликаций генов существуют в виде низкокопийных повторов (LCR), в отличие от высокоповторяющихся последовательностей, таких как транспозоны. Они в основном встречаются в перицентромерных, субтеломерных и интерстициальных областях хромосомы. Многие LCR, из-за их размера (>1 Кб), сходства и ориентации, особенно подвержены дупликациям и делециям.

Микромассивы генома обнаруживают дубликации

Такие технологии, как геномные микрочипы, также известные как массивная сравнительная геномная гибридизация (массив CGH), используются для выявления хромосомных аномалий, таких как микродупликации, в высокопроизводственном режиме на основе образцов геномной ДНК. В частности, технология ДНК-микрочипов позволяет одновременно отслеживать уровни экспрессии тысяч генов в различных условиях лечения или экспериментальных условиях, что значительно упрощает эволюционные исследования регуляции генов после дупликации генов или видообразования.

Секвенирование следующего поколения

Дубликации генов также могут быть выявлены с использованием платформ секвенирования нового поколения. Наиболее простой способ идентификации дубликаций в данных повторного секвенирования генома – использование парных чтений. Тандемные дубликации указываются парами чтений, которые отображаются в нетипичной ориентации. Комбинация повышенной глубины покрытия и нетипичной ориентации при картировании позволяет выявлять дубликации в данных секвенирования генома.

Номенклатура

Международная система цитогеномной номенклатуры человека (ISCN) — это международный стандарт номенклатуры человеческих хромосом, включающий названия хромосомных участков, символы и сокращённые термины, используемые при описании хромосом и хромосомных аномалий. Сокращения включают "dup" для обозначения дупликаций фрагментов хромосомы. Например, dup(17p12) является причиной болезни Шарко-Мари-Тута типа 1А.

Как усиление

Дублирование генов не обязательно приводит к устойчивому изменению генома вида. Фактически, такие изменения часто не сохраняются после исходного организма-носителя. С точки зрения молекулярной генетики, амплификация генов – это один из множества способов, посредством которых ген может быть сверхэкспрессирован. Генетическая амплификация может происходить искусственно, например, при использовании полимеразной цепной реакции для амплификации коротких фрагментов ДНК in vitro с помощью ферментов, или естественным путем, как описано выше. Если это естественное дублирование, оно все равно может происходить в соматической клетке, а не в зародышевой (что необходимо для устойчивых эволюционных изменений).