Псевдогены: нефункциональные копии генов.

Введение

Нефункциональные аналоги генов, нефункциональные сегменты ДНК.

Псевдогены – это нефункциональные сегменты ДНК, похожие на функциональные гены. Большинство возникают как избыточные копии функциональных генов, либо напрямую в результате дупликации генов, либо косвенно – посредством обратной транскрипции мРНК. Псевдогены обычно выявляют при анализе последовательности генома, когда обнаруживаются генноподобные последовательности, лишенные регуляторных элементов, необходимых для транскрипции или трансляции, или чьи кодирующие последовательности явно дефектны из-за сдвига рамки считывания или преждевременных стоп-кодонов. Псевдогены относятся к типу "мусорной ДНК". Большинство небактериальных геномов содержат множество псевдогенов, часто в количестве, сопоставимом с количеством функциональных генов. Это неудивительно, поскольку различные биологические процессы могут случайно приводить к образованию псевдогенов, и не существует специализированных механизмов для их удаления из геномов. В конечном итоге псевдогены могут быть удалены из генома в результате случайных ошибок репликации ДНК или репарации ДНК, либо они могут накопить настолько много мутаций, что перестанут быть узнаваемыми как бывшие гены. Анализ этих процессов дегенерации помогает прояснить влияние неселективных процессов в геномах. Псевдогенные последовательности могут транскрибироваться в РНК на низком уровне из-за промоторных элементов, унаследованных от исходного гена, или возникающих в результате новых мутаций. Хотя большинство этих транскриптов не имеют большей функциональной значимости, чем случайные транскрипты из других участков генома, некоторые из них привели к появлению полезных регуляторных РНК и новых белков.

Свойства

Псевдогены обычно характеризуются сочетанием сходства с известным геном и потерей некоторой функциональности. То есть, хотя каждый псевдоген содержит последовательность ДНК, похожую на последовательность некоторого функционального гена, они обычно не способны производить функциональные конечные белковые продукты. Псевдогены иногда трудно идентифицировать и охарактеризовать в геномах, поскольку два требования – сходство и потеря функциональности – обычно устанавливаются на основе выравнивания последовательностей, а не подтверждаются биологически. Гомология определяется сходством последовательностей ДНК псевдогена и известного гена. После выравнивания двух последовательностей вычисляется процент идентичных пар оснований. Высокая идентичность последовательностей указывает на то, что эти две последовательности, вероятно, произошли от общей предковой последовательности (являются гомологичными) и маловероятно, что они эволюционировали независимо (см. Конвергентная эволюция). Нефункциональность может проявляться различными способами. Обычно ген должен пройти несколько этапов, чтобы стать полностью функциональным белком: транскрипция, процессинг пре-мРНК, трансляция и фолдинг белка – все это необходимые стадии этого процесса. Если хотя бы один из этих этапов нарушен, последовательность может считаться нефункциональной. При высокопроизводительной идентификации псевдогенов наиболее часто встречающимися нарушениями являются преждевременные стоп-кодоны и сдвиги рамки считывания, которые практически всегда предотвращают трансляцию функционального белкового продукта. Псевдогены для РНК-генов обычно сложнее обнаружить, поскольку они не нуждаются в трансляции и, следовательно, не имеют "рамки чтения". Ряд псевдогенов рРНК был идентифицирован на основе изменений в концах массивов рДНК. Псевдогены могут осложнять молекулярно-генетические исследования. Например, амплификация гена методом ПЦР может одновременно амплифицировать псевдоген, имеющий схожие последовательности. Это известно как смещение ПЦР или амплификационное смещение. Аналогично, псевдогены иногда аннотируются как гены в геномных последовательностях. Обработанные псевдогены часто представляют проблему для программ предсказания генов, нередко ошибочно идентифицируясь как настоящие гены или экзоны. Было предложено, что идентификация обработанных псевдогенов может помочь повысить точность методов предсказания генов. В 2014 году было показано, что 140 человеческих псевдогенов подвергаются трансляции. Однако функция, если таковая имеется, полученных белковых продуктов, неизвестна.

Pseudogenes are usually characterized by a combination of similarity to a known gene and loss of some functionality. That is, although every pseudogene has a DNA sequence that is similar to some functional gene, they are usually unable to produce functional final protein products. Pseudogenes are sometimes difficult to identify and characterize in genomes, because the two requirements of similarity and loss of functionality are usually implied through sequence alignments rather than biologically proven. Homology is implied by sequence similarity between the DNA sequences of the pseudogene and a known gene. After aligning the two sequences, the percentage of identical base pairs is computed. A high sequence identity means that it is highly likely that these two sequences diverged from a common ancestral sequence (are homologous), and highly unlikely that these two sequences have evolved independently (see Convergent evolution). Nonfunctionality can manifest itself in many ways. Normally, a gene must go through several steps to a fully functional protein: Transcription, pre mRNA processing, translation, and protein folding are all required parts of this process. If any of these steps fails, then the sequence may be considered nonfunctional. In high throughput pseudogene identification, the most commonly identified disablements are premature stop codons and frameshifts, which almost universally prevent the translation of a functional protein product. Pseudogenes for RNA genes are usually more difficult to discover as they do not need to be translated and thus do not have "reading frames". A number of rRNA pseudogenes have been identified on the basis of changes in rDNA array ends. Pseudogenes can complicate molecular genetic studies. For example, amplification of a gene by PCR may simultaneously amplify a pseudogene that shares similar sequences. This is known as PCR bias or amplification bias. Similarly, pseudogenes are sometimes annotated as genes in genome sequences. Processed pseudogenes often pose a problem for gene prediction programs, often being misidentified as real genes or exons. It has been proposed that the identification of processed pseudogenes can help improve the accuracy of gene prediction methods. In 2014, 140 human pseudogenes have been shown to be translated. However, the function, if any, of the protein products is unknown.

Типы и происхождение

Существует четыре основных типа псевдогенов, каждый из которых имеет уникальные механизмы возникновения и характерные черты. Классификация псевдогенов выглядит следующим образом:

Обработанные

У высших эукариот, особенно у млекопитающих, ретротранспозиция – довольно частое явление, оказавшее огромное влияние на состав генома. Например, от 30 до 44% человеческого генома состоит из повторяющихся элементов, таких как SINEs и LINEs (см. ретротранспозоны). В процессе ретротранспозиции фрагмент мРНК или хнРНК-транскрипта гена спонтанно обратной транскрипцией превращается обратно в ДНК и встраивается в хромосомную ДНК. Хотя ретротранспозоны обычно создают копии самих себя, было показано в системе in vitro, что они могут создавать ретротранспонированные копии случайных генов. После встраивания этих псевдогенов обратно в геном, они обычно содержат поли(А)-хвост и, как правило, лишены интронов; это характерные признаки кДНК. Однако, поскольку они происходят из РНК-продукта, обработанные псевдогены также не имеют промоторов, свойственных нормальным генам; таким образом, они считаются "нежизнеспособными с момента встраивания", становясь нефункциональными псевдогенами сразу после события ретротранспозиции. Тем не менее, эти вставки иногда вносят экзоны в существующие гены, обычно посредством альтернативно сплайсированных транскриптов. Еще одной особенностью обработанных псевдогенов является частое усечение 5'-конца по отношению к родительской последовательности, что является следствием относительно непроцессивного механизма ретротранспозиции, создающего обработанные псевдогены. Обработанные псевдогены постоянно образуются у приматов. Например, в человеческих популяциях у разных индивидуумов наблюдаются различные наборы обработанных псевдогенов. Показано, что обработанные псевдогены накапливают мутации быстрее, чем необработанные псевдогены.

Необработанные (дублированные)

Дублирование генов – еще один распространенный и важный процесс в эволюции геномов. Копия функционального гена может возникнуть в результате события дублирования гена, вызванного гомологичной рекомбинацией, например, в повторяющихся SINE-последовательностях на несовмещенных хромосомах, и впоследствии приобрести мутации, приводящие к потере исходной функции копией. Дублированные псевдогены обычно обладают всеми характеристиками генов, включая сохранную структуру экзонов и интронов и регуляторные последовательности. Потеря функциональности дублированного гена обычно мало сказывается на приспособленности организма, поскольку неповрежденная функциональная копия остается. Согласно некоторым эволюционным моделям, общие дублированные псевдогены свидетельствуют об эволюционном родстве человека и других приматов. Если псевдогенез вызван дублированием гена, он обычно происходит в течение первых нескольких миллионов лет после дублирования, при условии, что ген не подвергался селективному давлению. Дублирование генов создает функциональную избыточность, и ношение двух идентичных генов обычно не является выгодным. Мутации, нарушающие структуру или функцию любого из двух генов, не являются вредными и не отбраковываются в процессе отбора. В результате мутировавший ген постепенно превращается в псевдоген и либо не экспрессируется, либо становится нефункциональным. Такой эволюционный путь подтверждается популяционно-генетическим моделированием и анализом геномов. В эволюционном контексте эти псевдогены либо удаляются, либо становятся настолько отличными от родительских генов, что их невозможно идентифицировать. Относительно молодые псевдогены можно распознать благодаря сходству их последовательностей.

Единые псевдогены

Различные мутации (такие как вставки-делеции и нонсенс-мутации) могут препятствовать нормальной транскрипции или трансляции гена, и таким образом ген может стать менее функциональным или полностью нефункциональным, то есть "деактивированным". Это те же механизмы, посредством которых необработанные гены превращаются в псевдогены, но в данном случае ген не был дуплицирован до псевдогенизации. Обычно такой псевдоген вряд ли закрепится в популяции, однако различные популяционные эффекты, такие как генетический дрейф, эффект бутылочного горлышка или, в некоторых случаях, естественный отбор, могут привести к его фиксации. Классическим примером единичного псевдогена является ген, предположительно кодирующий фермент L-гулоно-γ-лактоноксидазу (GULO) у приматов. У всех изученных млекопитающих, за исключением приматов (кроме морских свинок), GULO участвует в биосинтезе аскорбиновой кислоты (витамина С), но у человека и других приматов он существует в виде инактивированного гена (GULOP). Другой, более недавний пример инактивированного гена связывает деактивацию гена каспазы 12 (в результате нонсенс-мутации) с положительным отбором у людей.

Кодирование белков: ""

Быстрое распространение технологий секвенирования ДНК привело к идентификации многих видимых псевдогенов с использованием методов прогнозирования генов. Псевдогены часто идентифицируются по наличию преждевременного стоп-кодона в предсказанной последовательности мРНК, который, в теории, должен предотвращать синтез (трансляцию) нормального белкового продукта исходного гена. Имеются сообщения о трансляционном преодолении таких преждевременных стоп-кодонов у млекопитающих. Как показано на рисунке выше, небольшое количество белкового продукта, полученного в результате такого преодоления, все еще может быть распознаваемым и функционировать на определенном уровне. Если это так, псевдоген может подвергаться естественному отбору. Похоже, это произошло в ходе эволюции видов дрозофилы. В 2016 году было сообщено, что четыре предсказанных псевдогена у нескольких видов дрозофилы на самом деле кодируют белки с биологически важными функциями, «что позволяет предположить, что такие «псевдопсевдогены» могут представлять собой широко распространенное явление». Например, функциональный белок (глутаматный обонятельный рецептор) гена Ir75a обнаруживается только в нейронах. Это открытие биологически функциональных генов, специфичных для тканей, которые могли быть классифицированы как псевдогены при анализе in silico, усложняет анализ данных о последовательностях. Также был обнаружен ген, кодирующий функциональный фермент алкогольдегидрогеназу in vivo. По состоянию на 2012 год, в геноме человека насчитывалось приблизительно 12 000–14 000 псевдогенов. В 2016 году анализ протеогеномики с использованием масс-спектрометрии пептидов идентифицировал по меньшей мере 19 262 человеческих белка, продуцируемых 16 271 геном или кластерами генов, при этом было выявлено 8 новых генов, кодирующих белки, которые ранее считались псевдогенами. Более ранний анализ показал, что PGAM4 (фосфоглицератмутаза) человека, ранее считавшаяся псевдогеном, не только функциональна, но и вызывает бесплодие при мутации. Ряд псевдопсевдогенов также был обнаружен у прокариот, где некоторые замены стоп-кодонов в эссенциальных генах, по-видимому, сохраняются и даже подвергаются положительному отбору.

The rapid proliferation of DNA sequencing technologies has led to the identification of many apparent pseudogenes using gene prediction techniques. Pseudogenes are often identified by the appearance of a premature stop codon in a predicted mRNA sequence, which would, in theory, prevent synthesis (translation) of the normal protein product of the original gene. There have been some reports of translational readthrough of such premature stop codons in mammals. As alluded to in the figure above, a small amount of the protein product of such readthrough may still be recognizable and function at some level. If so, the pseudogene can be subject to natural selection. That appears to have happened during the evolution of Drosophila species. In 2016 it was reported that four predicted pseudogenes in multiple Drosophila species actually encode proteins with biologically important functions, "suggesting that such 'pseudo pseudogenes' could represent a widespread phenomenon". For example, the functional protein (a glutamate olfactory receptor) from gene Ir75a is found only in neurons. This finding of tissue specific biologically functional genes that could have been classified as pseudogenes by in silico analysis complicates the analysis of sequence data. which encodes a functional alcohol dehydrogenase enzyme in vivo. As of 2012, it appeared that there are approximately 12,000–14,000 pseudogenes in the human genome. A 2016 proteogenomics analysis using mass spectrometry of peptides identified at least 19,262 human proteins produced from 16,271 genes or clusters of genes, with 8 new protein coding genes identified that were previously considered pseudogenes. An earlier analysis found that human PGAM4 (phosphoglycerate mutase), previously thought to be a pseudogene, is not only functional, but also causes infertility if mutated. A number of pseudo pseudogenes were also found in prokaryotes, where some stop codon substitutions in essential genes appear to be retained, even positively selected for.

Некодирующие белки

siРНК. Некоторые эндогенные siРНК, по-видимому, происходят от псевдогенов, и, таким образом, некоторые псевдогены играют роль в регуляции транскриптов, кодирующих белки, как было показано в обзорах. Одним из многих примеров является psiPPM1K. Обработка РНК, транскрибируемых из psiPPM1K, приводит к образованию siРНК, которые могут подавлять наиболее распространенный тип рака печени – гепатоцеллюлярную карциному. Это и множество других исследований вызвали значительный интерес к возможности использования псевдогенов в качестве/для разработки терапевтических средств.

piРНК. Некоторые piРНК происходят из псевдогенов, расположенных в кластерах piРНК. Эти piРНК регулируют гены посредством piРНК-пути в яичках млекопитающих и имеют решающее значение для ограничения повреждения генома транспонируемыми элементами. микроРНК. Существует множество сообщений о том, что транскрипты псевдогенов действуют как ловушки для микроРНК. Вероятно, самым ранним и убедительным примером такого псевдогена, вовлеченного в развитие рака, является псевдоген BRAF. Ген BRAF является протоонкогеном, который при мутациях связан со многими видами рака. В норме количество белка BRAF контролируется в клетках благодаря действию микроРНК. В нормальных условиях количество РНК, происходящей от BRAF и псевдогена BRAFP1, конкурирует за связывание с микроРНК, но баланс этих двух РНК таков, что клетки растут нормально. Однако, когда экспрессия РНК BRAFP1 повышается (экспериментально или в результате естественных мутаций), меньше микроРНК доступно для контроля экспрессии BRAF, и повышенное количество белка BRAF вызывает рак. Этот вид конкуренции за регуляторные элементы со стороны РНК, эндогенных для генома, привел к появлению термина ceRNA. PTEN. Ген PTEN является известным геном-супрессором опухолей. Псевдоген PTEN, PTENP1, является обработанным псевдогеном, генетическая последовательность которого очень похожа на последовательность гена дикого типа. Однако PTENP1 содержит мутацию, которая устраняет кодон для инициирующего метионина и, следовательно, предотвращает трансляцию нормального белка PTEN. Несмотря на это, PTENP1, по-видимому, играет роль в онкогенезе. 3'-UTR мРНК PTENP1 функционирует как ловушка для мРНК PTEN, связывая микроРНК благодаря сходству с геном PTEN, и сверхэкспрессия 3'-UTR привела к увеличению уровня белка PTEN. То есть, сверхэкспрессия 3'-UTR PTENP1 приводит к усилению регуляции и подавлению раковых опухолей. Биология этой системы в основном обратна системе BRAF, описанной выше. Потогены. Псевдогены могут, в ходе эволюции, участвовать в конверсии генов и других мутационных событиях, которые могут привести к возникновению новых или вновь функционирующих генов. Это привело к концепции, что псевдогены можно рассматривать как потогены: потенциальные гены для эволюционной диверсификации.

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.

Бактериальные псевдогены

Псевдогены обнаруживаются у бактерий. Большинство из них встречается у бактерий, не являющихся свободноживущими, то есть у симбионтов или облигатных внутриклеточных паразитов. Следовательно, им не требуется множество генов, необходимых свободноживущим бактериям, таких как гены, связанные с метаболизмом и репарацией ДНК. Однако, не существует определенной последовательности, в которой функциональные гены теряются первыми. Например, древнейшие псевдогены у Mycobacterium leprae находятся в генах РНК-полимераз и биосинтеза вторичных метаболитов, в то время как древнейшие у Shigella flexneri и Shigella typhi – в генах репликации, рекомбинации и репарации ДНК. Поскольку большинство бактерий, несущих псевдогены, являются либо симбионтами, либо облигатными внутриклеточными паразитами, размер генома со временем уменьшается. Ярким примером является геном Mycobacterium leprae, облигатного паразита и возбудителя лепры. Сообщается, что он содержит 1133 псевдогена, которые составляют около 50% его транскриптома. Хотя редукция генома направлена на избавление от ненужных генов, в том числе псевдогенов, селективное давление со стороны хозяина может влиять на то, какие гены сохраняются. В случае симбионта из типа Verrucomicrobiota, имеется семь дополнительных копий гена, кодирующего путь манделалида. Хозяин, виды из рода Lissoclinum, использует манделалиды как часть своего защитного механизма.