Sirotčí geny

Orphan geny ( Orphan gene nebo ORF ans, hlavně v literatuře o mikrobiologii) [1] [2]  jsou geny bez nalezených homologů v jiných evolučních větvíchanglicky  [2] Orphans jsou podskupinou taxonomicky omezených genů (TRG), které jsou jedinečné na určité taxonomické úrovni (například pro konkrétní rostlinu) [3] . Na rozdíl od neosiřelých TRG jsou sirotci obecně považováni za jedinečné pro velmi úzký taxon , většinou druh.

Klasický model evoluce je založen na duplikaci, přeskupování a mutaci genů s myšlenkou společného původu [4] [5] . Orphan geny jsou odlišné v tom, že jsou specifické pro linii bez známé historie běžné duplikace a permutace mimo jejich specifický druh nebo klad [6] . Orphan geny mohou vznikat prostřednictvím různých mechanismů, jako je horizontální genový přenos , duplikace a rychlá divergence a de novo vznik genu z sekvence [2Tyto procesy mohou u hmyzu, primátů a rostlin fungovat různými rychlostmi [7] . Navzdory svému relativně nedávnému původu mohou sirotčí geny kódovat funkčně důležité proteiny [8] [9] .

Historie studia sirotčích genů

Orphan geny byly poprvé objeveny po zahájení projektu sekvenování genomu kvasinek v roce 1996 [2] . Orphan geny představovaly přibližně 26 % genomu kvasinek, ale věřilo se, že tyto geny by mohly být klasifikovány podle homologů , pokud by bylo sekvenováno více genomů [3] . V té době byla genová duplikace považována za jediný seriózní model genové evoluce [2] [4] [10] , poté bylo pro srovnání sekvenováno pouze několik genomů, takže absence detekovatelných homologů byla považována za nejpravděpodobnější z důvodu chybějícího sekvenování data, a ne z -pro skutečný nedostatek homologie [3] . Osiřelé geny však nadále existovaly, jak se zvýšil počet sekvenovaných genomů [3] [11] , což nakonec vedlo k závěru, že sirotčí geny jsou všudypřítomné ve všech genomech [2] . Odhady procenta osiřelých genů se mezi druhy a studiemi velmi liší; 10-30 % je běžně uváděný údaj [3] .

Studium osiřelých genů se objevilo převážně na přelomu století. V roce 2003 studie briggsae a příbuzných druhů porovnávala více než 2 000 genů [3 •• Předpokládali, že tyto geny se musely vyvinout příliš rychle, než aby mohly být detekovány, a jsou proto místy velmi rychlé evoluce [3] . V roce 2005 Wilson zkoumal 122 bakteriálních druhů, aby se pokusil zjistit, zda velké množství sirotčích genů u mnoha druhů jsou skutečně sirotčí geny [11] . Studie ukázala, že to byl správný předpoklad a hrál roli v adaptaci bakterií. Definice taxonomicky omezených genů byla zavedena do literatury, aby se osiřelé geny zdály méně „tajemné“ [11] .

V roce 2008 bylo zjištěno, že funkčně zavedený kvasinkový protein BSC4 vznikl novo z nekódujících sekvencí, jejichž homologie byla stále nalezena u sesterských druhů [ 12

V roce 2009 byl objeven sirotčí gen regulující vnitřní biologickou síť : sirotčí gen QQS z Arabidopsis thaliana ovlivňuje metabolismus škrobu [13] . Orphan protein QQS interaguje s konzervovaným transkripčním faktorem NF-YC4, což vysvětluje zvýšení produkce proteinu, ke kterému dochází, když je gen QQS zaveden genetickým inženýrstvím do jiných rostlinných druhů [14] .

V roce 2011 byla provedena komplexní genomická studie distribuce a evolučního původu sirotčích genů v rostlinách na modelové rostlině Arabidopsis thaliana [15] .

Jak identifikovat sirotčí geny

Geny mohou být podmíněně klasifikovány jako osiřelé, pokud u blízkých druhů nejsou nalezeny žádné ortologické proteiny [7] .

Jednou metodou používanou k vyhodnocení podobnosti nukleotidových nebo proteinových sekvencí indikujících homologii (tj. podobnost díky společnému původu) je nástroj Basic Local Alignment Search (BLAST) . BLAST umožňuje rychle vyhledávat sekvence ve velkých databázích [16] [17] . Modelování naznačuje, že za určitých podmínek je BLAST vhodný pro detekci vzdálených příbuzných genu [18] . BLAST však může snadno minout krátké a rychle se vyvíjející geny [19] .

Systematické objevování homologie k anotaci sirotčích genů se nazývá philostratigraphy[20] . Filostratigrafie generuje fylogenetický strom , ve kterém se počítá homologie mezi všemi geny hlavního druhu a geny ostatních druhů. Nejčasnější společný předek genu určuje stáří nebo fylogenetickou vrstvu genu. Termín "sirotek" se někdy používá pouze pro nejmladší fylogenetickou vrstvu obsahující pouze jeden druh, ale když je široce interpretován jako taxonomicky omezený gen , může odkazovat na všechny kromě nejstarší fylogenetické vrstvy s osiřelým genem ve větším kladu .

Odkud pocházejí sirotčí geny?

Orphan geny pocházejí z různých zdrojů, převážně prostřednictvím de novo výskytuduplikace a rychlé divergence a horizontálního přenosu genů [2 ••

De novo vzhled

Nové sirotčí geny se neustále objevují novo z nekódujících sekvencí [ 21Tyto nové geny mohou být dostatečně užitečné, aby byly fixovány selekcí . Nebo pravděpodobněji opět ustoupí do negenetického pozadí. Druhá možnost je podporována studiemi na Drosophila , které ukazují, že mladé geny pravděpodobněji vymřou [22] .

Kdysi se mělo za to, že vznik de novo genů byl téměř nemožný kvůli složité a potenciálně křehké složitosti vytváření a udržování funkčních polypeptidů [10] , ale studie za posledních 10 nebo tak let našly několik příkladů de novo genů . z nichž některé jsou spojeny s důležitými biologickými procesy, zejména funkcí varlat u zvířat. De novo geny byly také nalezeny v houbách a rostlinách [12] [23] [24] [5] [25] [26] [27] .

U mladých sirotčích genů lze někdy nalézt homologní nekódující sekvence DNA u sesterských taxonů, což je obecně považováno za silný důkaz de novo původu . Kontroverzní však zůstává příspěvek de novo původu k taxonomicky omezeným genům staršího původu, zejména ve vztahu k tradiční teorii evoluce genové duplikace [28] [29] .

Duplikace a divergence

Model duplikace a divergence pro sirotčí geny předpokládá, že nový gen je vytvořen jako výsledek nějaké duplikace nebo divergenční události a nastává období rychlé evoluce , kdy je ztracena veškerá detekovatelná podobnost s původně duplikovaným genem [2] . I když je toto vysvětlení v souladu se současným chápáním duplikačních mechanismů [2] , počet mutací potřebných ke ztrátě detekovatelné podobnosti je dostatečně velký na to, aby se jednalo o vzácnou událost [2] [18] a evoluční mechanismus, kterým lze genový duplikát vytvořit izolované, a tak se rychle rozcházejí, zůstává nejasné [2] [30] .

Horizontální přenos genů

Další vysvětlení toho, jak vznikají osiřelé geny, souvisí s mechanismem duplikace nazývaným horizontální přenos genů , kde původní duplikovaný gen pochází z oddělené, neznámé linie[2] . Toto vysvětlení původu osiřelých genů je zvláště důležité u bakterií a archaea , kde je horizontální přenos genů běžný.

Charakteristika proteinu

Orphan geny mají tendenci být velmi krátké (asi 6krát kratší než zralé geny) a některé jsou slabě exprimované , tkáňově specifické a snadněji použitelné kodony a složení aminokyselin [31] . Orphan geny mají tendenci kódovat vnitřně neuspořádané proteiny32]33] [34], ačkoliv byla nalezena určitá struktura v jednom z nejlépe charakterizovaných sirotčích genů [ 35] Z desítek tisíc primárního specializovaného metabolismu , které dosud charakterizovány, žádný není osiřelý nebo dokonce omezený svým původem; Je zřejmé, že pro katalýzu jsou zapotřebí stovky milionů let evoluce [31] .

Biologické funkce

Zatímco rozšířenost osiřelých genů je uznávána, o evoluční roli sirotků a potažmo o jejich významu se stále diskutuje. Jedna teorie říká, že mnoho sirotků nehraje evoluční roli; genomy obsahují nefunkční otevřené čtecí rámce (ORF) , které vytvářejí falešné polypeptidové produkty, které nejsou podporovány selekcí , což znamená, že je nepravděpodobné, že mezi druhy přetrvají a pravděpodobně budou nalezeny jako sirotčí geny [3] . Četné další studie však ukázaly, že alespoň někteří sirotci jsou funkčně důležití a mohou pomoci vysvětlit vznik nových fenotypů [2] [3] [11] [13] [14] [15] .

Poznámky

  1. ↑ Fischer, D.; Eisenberg, D. Hledání rodin pro genomické ORFany // Bioinformatika. - 1999. - 1. září ( roč. 15 , č. 9 ). - S. 759-762 . - doi : 10.1093/bioinformatics/15.9.759 . — PMID 10498776 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tautz, D.; Domazet-Lošo, T. Evoluční původ sirotčích genů  (anglicky)  // Nature Reviews Genetics . - 2011. - Sv. 12 , č. 10 . - S. 692-702 . doi : 10.1038 / nrg3053 . — PMID 21878963 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Khalturin, K; Hemmrich, G; Fraune, S; Augustine, R; Bosch, TC Více než jen sirotci: jsou taxonomicky omezené geny důležité v evoluci? (angl.)  // Trends in Genetics : deník. - Cell Press , 2009. - Vol. 25 , č. 9 . - str. 404-413 . - doi : 10.1016/j.tig.2009.07.006 . — PMID 19716618 .
  4. ↑ 1 2 Ohno, Susumu. Evoluce genovou duplikací . - Springer Science & Business Media , 2013. - ISBN 978-3-642-86659-3 .
  5. ↑ 1 2 Zhou, Qi; Zhang, Guojie; Zhang, Yue; Xu, Shiyu; Zhao, Ruoping; Zhan, Zubing; Li, Xin; Ding, Yun; Yang, Shuang. O původu nových genů u Drosophila   // Výzkum genomu. - 2008. - 1. září ( roč. 18 , č. 9 ). - S. 1446-1455 . - doi : 10.1101/gr.076588.108 . — PMID 18550802 .
  6. ↑ Toll-Riera, M.; Bosch, N.; Bellora, N.; Castelo, R.; Armengol, L.; Estivil, X.; Alba, MM Původ sirotčích genů primátů  : srovnávací genomický přístup  // Molekulární biologie a evoluce : deník. - Oxford University Press , 2009. - Vol. 26 , č. 3 . - S. 603-612 . - doi : 10.1093/molbev/msn281 . — PMID 19064677 .
  7. ↑ 1 2 Wissler, L.; Gadau, J.; Simola, D.F.; Helmkampf, M.; Bornberg-Bauer, E. Mechanismy a dynamika vzniku sirotčích genů v genomech hmyzu   // Biologie a evoluce genomu : deník. - 2013. - Sv. 5 , č. 2 . - str. 439-455 . - doi : 10.1093/gbe/evt009 . — PMID 23348040 .
  8. ↑ Reinhardt, Josephine A.; Wanjiru, Betty M.; Brant, Alicia T.; Saelao, Perot; Začátek, David J.; Jones, Corbin D. De Novo ORF u Drosophila jsou důležité pro zdraví organismu a rychle se vyvinuly z dříve nekódujících sekvencí  //  PLoS Genet : deník. - 2013. - 17. října ( roč. 9 , č. 10 ). — P. e1003860 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003860 . — PMID 24146629 .
  9. ↑ Suenaga, Yusuke; islám, S. M. Rafiqul; Alagu, Jennifer; Kaneko, Yoshiki; Kato, Mamoru; Tanaka, Yukichi; Kawana, Hidetada; Hossain, Shamim; Matsumoto, Daisuke. NCYM, cis-antisense gen MYCN, kóduje de Novo vyvinutý protein, který inhibuje GSK3β, což má za následek stabilizaci MYCN u lidských neuroblastomů   // PLoS Genet : deník. - 2014. - 2. ledna ( roč. 10 , č. 1 ). - P. e1003996 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003996 . — PMID 24391509 .
  10. ↑ 1 2 Jacob, F. Evolution and tinkering  (anglicky)  // Science : journal. - 1977. - 10. června ( roč. 196 , č. 4295 ). - S. 1161-1166 . - doi : 10.1126/science.860134 . - . — PMID 860134 .
  11. ↑ 1 2 3 4 Wilson, G.A.; Bertrand, N.; Patel, Y.; Hughes, JB; Feil, EJ; Field, D. Orphans as taxonomically omezené a ekologicky významné geny  (anglicky)  // Microbiology : journal. - 2005. - Sv. 151 , č.p. 8 . - S. 2499-2501 . - doi : 10,1099/mic.0,28146-0 . — PMID 16079329 .
  12. ↑ 1 2 Cai, Jing; Zhao, Ruoping; Jiang, Huifeng; Wang, Wen. De Novo Vznik nového genu kódujícího protein v Saccharomyces cerevisiae  (anglicky)  // Genetics: journal. - 2008. - 1. května ( roč. 179 , č. 1 ). - str. 487-496 . - doi : 10.1534/genetika.107.084491 . — PMID 18493065 .
  13. ↑ 1 2 Li, L.; Foster, C. M.; Gan, Q.; Nettleton, D.; James, M.G.; Myers, A. M.; Wurtele, ES Identifikace nového proteinu QQS jako součásti metabolické sítě škrobu v listech Arabidopsis  //  The Plant Journal : deník. - 2009. - Sv. 58 , č. 3 . - str. 485-498 . - doi : 10.1111/j.1365-313X.2009.03793.x . — PMID 19154206 .
  14. ↑ 1 2 Li, L; Zheng, W; Zhu, Y; Ano, H; Tang, B; Arendsee, Z; Jones, D; Li, R; Ortiz, D; Zhao, X; Du, C; Nettleton, D; Scott, P; Salas-Fernandez, M; Yin, Y; Wurtele, ES Gen pro sirotky QQS reguluje rozdělování uhlíku a dusíku mezi druhy prostřednictvím interakcí NF-YC  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2015. - Sv. 112 , č. 47 . - S. 14734-14739 . - doi : 10.1073/pnas.1514670112 . - . — PMID 26554020 .
  15. ↑ 1 2 Donoghue, MTA; Keshavaiah, C.; Swamidatta, S.H.; Spillane, C. Evoluční původ genů specifických pro Brassicaceae v Arabidopsis thaliana  (anglicky)  // BioMed Central : deník. - 2011. - Sv. 11 , č. 1 . — Str. 47 . - doi : 10.1186/1471-2148-11-47 . — PMID 21332978 .
  16. ↑ Altschul, S. Gapped BLAST a PSI-BLAST: nová generace programů pro vyhledávání proteinových databází  //  Nucleic Acids Research : deník. - 1997. - 1. září ( roč. 25 , č. 17 ). - S. 3389-3402 . doi : 10.1093 / nar/25.17.3389 . — PMID 9254694 .
  17. ↑ Domovská stránka NCBI BLAST . Získáno 8. září 2020. Archivováno z originálu dne 21. srpna 2020.
  18. ↑ 12 Alba , M; Castresana, J. O hledání homologie pomocí proteinu BLAST a charakterizaci stáří genů  //  BioMed Central : deník. - 2007. - Sv. 7 . — S. 53 . - doi : 10.1186/1471-2148-7-53 . — PMID 17408474 .
  19. ↑ Moyers, B.A.; Zhang, J.  Fylostratigrafické zkreslení vytváří falešné vzory evoluce genomu  // Molekulární biologie a evoluce : deník. — Oxford University Press , 2014. — 13. října ( roč. 32 , č. 1 ). - str. 258-267 . - doi : 10.1093/molbev/msu286 . — PMID 25312911 .
  20. ↑ Domazet-Lošo, Tomislav; Brajkovič, Josip; Tautz, Diethard. Fylostratigrafický přístup k odhalení genomické historie hlavních adaptací v liniích metazoanů   // Trends in Genetics : deník. - Cell Press , 2007. - 11. ledna ( roč. 23 , č. 11 ). - str. 533-539 . - doi : 10.1016/j.tig.2007.08.014 . — PMID 18029048 .
  21. ↑ McLysaght, Aoife; Guerzoni, Daniele. Nové geny z nekódující sekvence: role de novo protein-kódujících genů v eukaryotické evoluční inovaci  (anglicky)  // Philosophical Transactions of the Royal Society B  : journal. - 2015. - 31. srpna ( roč. 370 , č. 1678 ). — S. 20140332 . - doi : 10.1098/rstb.2014.0332 . — PMID 26323763 .
  22. ↑ Palmieri, Nicola; Kosiol, Carolyn; Schlotterer, Christian. Životní cyklus sirotčích genů  (anglicky)  // eLife  : journal. - 2014. - 19. února ( vol. 3 ). — P.e01311 . - doi : 10.7554/eLife.01311 . — PMID 24554240 .
  23. ↑ Zhao, Li; Saelao, Perot; Jones, Corbin D.; Begun, David J. Původ a šíření de Novo genů v populacích Drosophila melanogaster  (anglicky)  // Science : journal. - 2014. - 14. února ( roč. 343 , č. 6172 ). - str. 769-772 . - doi : 10.1126/science.1248286 . - . — PMID 24457212 .
  24. ↑ Levine, Mia T.; Jones, Corbin D.; Kern, Andrew D.; Lindfors, Heather A.; Zahájeno, David J. Nové geny odvozené z nekódující DNA u Drosophila melanogaster jsou často X-vázané a vykazují expresi zkreslenou varlaty  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2006. - 27. června ( roč. 103 , č. 26 ). - S. 9935-9939 . - doi : 10.1073/pnas.0509809103 . - . — PMID 16777968 .
  25. ↑ Heinen, Tobias JAJ; Štaubach, Fabián; Hamming, Daniela; Tautz, Diethard. Vznik nového genu z intergenové oblasti  (anglicky)  // Current Biology  : journal. - Cell Press , 2009. - 29. září ( roč. 19 , č. 18 ). - S. 1527-1531 . - doi : 10.1016/j.cub.2009.07.049 . — PMID 19733073 .
  26. ↑ Chen, Sidi; Zhang, Yong E.; Dlouho, Manywane. Nové geny v Drosophila se rychle stávají nezbytnými  (anglicky)  // Science : journal. - 2010. - 17. prosince ( roč. 330 , č. 6011 ). - S. 1682-1685 . - doi : 10.1126/science.1196380 . - . — PMID 21164016 .
  27. ↑ Silveira AB, Trontin C., Cortijo S., Barau J., Del-Bem LE, Loudet O., Colot V., Vincentz M. Extensive Natural Epigenetic Variation at a De Novo Originated Gene  //  PLoS Genetics  : deník. - 2013. - Sv. 9 , č. 4 . — P.e1003437 . - doi : 10.1371/journal.pgen.1003437 . — PMID 23593031 .
  28. ↑ Neme, Rafik; Tautz, Diethard. Evolution: Dynamics of De Novo Gene Emergence  (anglicky)  // Current Biology  : journal. - Cell Press , 2014. - 17. března ( roč. 24 , č. 6 ). - P.R238-R240 . - doi : 10.1016/j.cub.2014.02.016 . — PMID 24650912 .
  29. ↑ Moyers, Bryan A.; Zhang, Jianzhi. Hodnocení fylostratigrafických důkazů pro rozšířené de novo zrození genu v evoluci genomu  //  Molekulární biologie a evoluce : deník. - Oxford University Press , 2016. - 11. ledna ( roč. 33 , č. 5 ). - S. 1245-1256 . - doi : 10.1093/molbev/msw008 . — PMID 26758516 .
  30. ↑ Lynch, Michael; Katju, Vaishali.  Změněné evoluční trajektorie genových duplikátů  // Trends in Genetics : deník. - Cell Press , 2004. - 1. listopadu ( roč. 20 , č. 11 ). - str. 544-549 . - doi : 10.1016/j.tig.2004.09.001 . — PMID 15475113 .
  31. ↑ 1 2 Arendsee, Zebulun W.; Li, Ling; Wurtele, Eva Syrkinová. Dospívání: sirotčí geny v rostlinách  (angl.)  // Trends in Plant Science : deník. - Cell Press , 2014. - Listopad ( roč. 19 , č. 11 ). - S. 698-708 . - doi : 10.1016/j.tplants.2014.07.003 . — PMID 25151064 .
  32. ↑ Mukherjee, S.; Panda, A.; Ghosh, TC Objasnění evolučních rysů a funkčních důsledků osiřelých genů u Leishmania major  // Infection, Genetics and Evolution  : journal  . - 2015. - Červen ( vol. 32 ). - str. 330-337 . - doi : 10.1016/j.meegid.2015.03.031 . — PMID 25843649 .
  33. ↑ Wilson, Benjamin A.; Foy, Scott G.; Neme, Rafik; Masel, Joanna. Mladé geny jsou vysoce neuspořádané, jak předpovídá predadaptační hypotéza de novo zrození genu  //  Nature Ecology & Evolution : deník. - 2017. - 24. dubna ( díl 1 , č. 6 ). - S. 0146-0146 . - doi : 10.1038/s41559-017-0146 . — PMID 28642936 .
  34. ↑ Willis, Sara; Masel, Joanna. Zrození genu přispívá ke strukturální poruše zakódované překrývajícími se geny  //  Genetika: časopis. - 2018. - 19. července ( roč. 210 , č. 1 ). - str. 303-313 . - doi : 10.1534/genetika.118.301249 . — PMID 30026186 .
  35. ↑ Bungard, Dixie; Copple, Jacob S.; Yan, Jing; Chhun, Jimmy J.; Kumírov, Vlad K.; Foy, Scott G.; Masel, Joanna; Wysocki, Vicki H.; Cordes, Matthew HJ Skládací schopnost přirozeného proteinu De Novo Evolved // Struktura. - 2017. - Listopad ( roč. 25 , č. 11 ). — S. 1687–1696.e4 . - doi : 10.1016/j.str.2017.09.006 . — PMID 29033289 .