Введение
Геновое семейство – это набор нескольких сходных генов, образованных в результате дупликации одного исходного гена и, как правило, обладающих схожими биохимическими функциями. Одним из таких семейств являются гены субъединиц человеческого гемоглобина; десять генов расположены в двух кластерах на разных хромосомах, называемых локусами α-глобина и β-глобина. Считается, что эти два кластера генов возникли примерно 500 миллионов лет назад в результате дупликации гена-предшественника. Гены классифицируются в семейства на основе общих нуклеотидных или белковых последовательностей. Для более строгой проверки могут использоваться филогенетические методы. Положение экзонов в кодирующей последовательности может быть использовано для установления общего происхождения. Знание последовательности белка, кодируемого геном, позволяет исследователям применять методы, выявляющие сходства между белковыми последовательностями, которые дают больше информации, чем сходства или различия между последовательностями ДНК. Если гены генового семейства кодируют белки, термин «семейство белков» часто используется аналогичным образом. Расширение или сокращение генового семейства в пределах определенной линии может быть случайным или результатом естественного отбора. Различать эти два случая на практике часто бывает сложно. В современных исследованиях используется комбинация статистических моделей и алгоритмических методов для выявления геновых семейств, подверженных воздействию естественного отбора. Комитет по номенклатуре генов HUGO (HGNC) разрабатывает схемы номенклатуры, используя символ «стебля» (или «корня») для обозначения членов генового семейства (по гомологии или функции) и иерархическую систему нумерации для различения отдельных членов. Например, для семейства пероксиредоксинов PRDX является корневым символом, а членами семейства являются PRDX1, PRDX2, PRDX3, PRDX4, PRDX5 и PRDX6.
A gene family is a set of several similar genes, formed by duplication of a single original gene, and generally with similar biochemical functions. One such family are the genes for human hemoglobin subunits; the ten genes are in two clusters on different chromosomes, called the α globin and β globin loci. These two gene clusters are thought to have arisen as a result of a precursor gene being duplicated approximately 500 million years ago. Genes are categorized into families based on shared nucleotide or protein sequences. Phylogenetic techniques can be used as a more rigorous test. The positions of exons within the coding sequence can be used to infer common ancestry. Knowing the sequence of the protein encoded by a gene can allow researchers to apply methods that find similarities among protein sequences that provide more information than similarities or differences among DNA sequences. If the genes of a gene family encode proteins, the term protein family is often used in an analogous manner to gene family. The expansion or contraction of gene families along a specific lineage can be due to chance, or can be the result of
natural selection. To distinguish between these two cases is often difficult in practice. Recent work uses a combination
of statistical models and algorithmic techniques to detect gene families that are under the effect of natural selection. The HUGO Gene Nomenclature Committee (HGNC) creates nomenclature schemes using a "stem" (or "root") symbol for members of a gene family (by homology or function), with a hierarchical numbering system to distinguish the individual members. For example, for the peroxiredoxin family, PRDX is the root symbol, and the family members are PRDX1, PRDX2, PRDX3, PRDX4, PRDX5, and PRDX6.
Основная структура
Одним из уровней организации генома является группировка генов в несколько геновых семейств. Геновые семьи – это группы родственных генов, имеющих общего предка. Члены генового семейства могут быть паралогами или ортологами. Геновые паралоги – это гены с похожими последовательностями внутри одного вида, тогда как геновые ортологи – это гены с похожими последовательностями в разных видах. Геновые семейства сильно различаются по размеру, разнообразию последовательностей и организации. В зависимости от разнообразия и функций генов в семействе, семейства могут классифицироваться как многогенные семейства или суперсемейства. Многогенные семейства обычно состоят из членов с близкими последовательностями и функциями, хотя высокая степень дивергенции (на уровне последовательности и/или функции) не приводит к исключению гена из генового семейства. Отдельные гены в семействе могут располагаться близко друг к другу на одной хромосоме или быть разбросаны по всему геному на разных хромосомах. Благодаря сходству их последовательностей и перекрывающимся функциям, отдельные гены в семействе часто используют общие элементы регуляторного контроля. Существуют различные типы псевдогенов. Непроцессированные псевдогены – это гены, накопившие мутации со временем и утратившие функциональность. Процессированные псевдогены – это гены, потерявшие свою функцию после перемещения по геному посредством ретротранспозиции.
Эволюция
Генные семьи, являющиеся частью иерархии хранения информации в геноме, играют важную роль в эволюции и разнообразии многоклеточных организмов. Генные семьи представляют собой крупные единицы информации и генетической изменчивости. Адаптивное расширение одного гена в множество изначально идентичных копий происходит, когда естественный отбор благоприятствует увеличению числа копий гена. Это случается, когда на вид действует стрессовый фактор окружающей среды. Усиление генов более распространено у бактерий и является обратимым процессом. Сокращение генных семей обычно происходит в результате накопления мутаций, приводящих к потере функции. Мутация, преждевременно прекращающая транскрипцию гена, закрепляется в популяции, что приводит к потере генов. Этот процесс происходит, когда изменения в окружающей среде делают ген избыточным. В результате, термин "генная семья" также может относиться к генам, выполняющим одинаковую функцию, часто входящим в состав одного и того же белкового комплекса. Например, BRCA1 и BRCA2 – неродственные гены, названные в честь их роли в развитии рака молочной железы, а RPS2 и RPS3 – неродственные рибосомные белки, обнаруженные в одной и той же малой субъединице. HGNC также поддерживает классификацию "генных групп" (ранее "генных семей"). Ген может быть членом нескольких групп, и все группы образуют иерархию. Как и в случае классификации генных семей, существуют как структурные, так и функциональные группы.