Семейство генов — это набор гомологичных генов в пределах одного организма. Кластер генов — это группа из двух или более генов, обнаруженных в ДНК организма , которые кодируют схожие полипептиды или белки , которые в совокупности выполняют обобщенную функцию и часто располагаются в пределах нескольких тысяч пар оснований друг от друга. Размер кластеров генов может значительно варьироваться: от нескольких генов до нескольких сотен генов. [1] Обнаружено, что части последовательности ДНК каждого гена в кластере генов идентичны; однако результирующий белок каждого гена отличается от результирующего белка другого гена в пределах кластера. Гены, обнаруженные в кластере генов, могут наблюдаться рядом друг с другом на одной и той же хромосоме или на разных, но гомологичных хромосомах . Примером кластера генов является ген Hox , который состоит из восьми генов и является частью семейства генов Homeobox .
Исторически было предложено четыре модели формирования и сохранения кластеров генов.
Эта модель была общепринятой с середины 1970-х годов. Она постулирует, что кластеры генов были сформированы в результате дупликации и дивергенции генов . [2] Эти кластеры генов включают кластер генов Hox , кластер генов человеческого β-глобина и четыре кластеризованных гена человеческого гормона роста (hGH)/ хорионического соматомаммотропина . [3]
Консервативные генные кластеры, такие как Hox и кластер генов человеческого β-глобина, могут быть сформированы в результате процесса дупликации и дивергенции генов . Ген дублируется во время деления клетки , так что его потомки имеют две копии гена, расположенные от конца к концу, где у него была одна копия, изначально кодирующая один и тот же белок или иным образом имеющая ту же функцию. В ходе последующей эволюции они расходятся, так что продукты, которые они кодируют, имеют разные, но связанные функции, при этом гены по-прежнему находятся рядом на хромосоме. [4] Оно предположил, что происхождение новых генов в ходе эволюции зависело от дупликации генов. Если бы в геноме вида существовала только одна копия гена, белки, транскрибируемые с этого гена, были бы необходимы для их выживания. Поскольку существовала только одна копия гена, они не могли подвергаться мутациям, которые потенциально могли бы привести к появлению новых генов; однако дупликация генов позволяет важным генам подвергаться мутациям в дублированной копии, что в конечном итоге привело бы к появлению новых генов в ходе эволюции.
[5] Мутации в дублированной копии были допустимы, поскольку исходная копия содержала генетическую информацию для функции основного гена. Виды, имеющие кластеры генов, имеют селективное эволюционное преимущество, поскольку естественный отбор должен удерживать гены вместе. [1] [6] За короткий промежуток времени новая генетическая информация, представленная дублированной копией основного гена, не будет служить практическим преимуществом; однако за длительный эволюционный период генетическая информация в дублированной копии может претерпеть дополнительные и радикальные мутации, в которых белки дублированного гена будут выполнять иную роль, чем белки исходного основного гена. [5] За длительный эволюционный период два похожих гена будут расходиться, поэтому белки каждого гена будут уникальны по своим функциям. Кластеры Hox-генов, варьирующиеся по размеру, обнаружены среди нескольких типов .
Когда происходит дупликация гена для создания генного кластера, один или несколько генов могут быть дуплицированы одновременно. В случае гена Hox был дуплицирован общий предковый кластер ProtoHox, что привело к генетическим кластерам в гене Hox, а также в гене ParaHox , эволюционно сестринском комплексе гена Hox. [7] Точное количество генов, содержащихся в дуплицированном кластере Protohox, неизвестно; однако существуют модели, предполагающие, что дуплицированный кластер Protohox изначально содержал четыре, три или два гена. [8]
В случае, когда кластер генов дублируется, некоторые гены могут быть потеряны. Потеря генов зависит от количества генов, происходящих из кластера генов. В модели с четырьмя генами кластер ProtoHox содержал четыре гена, что привело к двум кластерам-близнецам: кластеру Hox и кластеру ParaHox. [7] Как следует из названия, модель с двумя генами дала начало кластеру Hox и кластеру ParaHox в результате кластера ProtoHox, который содержал только два гена. Модель с тремя генами изначально была предложена в сочетании с моделью с четырьмя генами; [8] однако, вместо кластера Hox и кластера ParaHox, полученных из кластера, содержащего три гена, кластер Hox и кластер ParaHox были результатом тандемной дупликации одного гена, идентичных генов, обнаруженных рядом на одной хромосоме. [7] Это не зависело от дупликации предкового кластера ProtoHox.
Генная дупликация может происходить посредством цис -дупликации или транс -дупликации. Цис -дупликация, или внутрихромосомная дупликация, влечет за собой дупликацию генов в пределах одной хромосомы, тогда как транс -дупликация, или межхромосомная дупликация, состоит из дупликации генов на соседних, но отдельных хромосомах. [7] Образование кластера Hox и кластера ParaHox было результатом внутрихромосомной дупликации, хотя изначально считалось, что они являются межхромосомными. [8]
Модель Фишера была предложена в 1930 году Рональдом Фишером . Согласно модели Фишера, кластеры генов являются результатом двух аллелей, хорошо работающих друг с другом. Другими словами, кластеры генов могут демонстрировать коадаптацию . [3] Модель Фишера считалась маловероятной и позже была отклонена как объяснение формирования кластеров генов. [2] [3]
Согласно модели совместной регуляции, гены организованы в кластеры, каждый из которых состоит из одного промотора и кластера кодирующих последовательностей, которые, таким образом, совместно регулируются, демонстрируя скоординированную экспрессию генов . [3] Когда-то считалось, что скоординированная экспрессия генов является наиболее распространенным механизмом, управляющим образованием кластеров генов. [1] Однако совместная регуляция и, следовательно, скоординированная экспрессия генов не могут управлять образованием кластеров генов. [3]
Модель молярности учитывает ограничения размера клетки. Совместная транскрипция и трансляция генов выгодна для клетки. [9] Таким образом, образование кластеризованных генов генерирует высокую локальную концентрацию цитоплазматических белковых продуктов. Пространственная сегрегация белковых продуктов наблюдалась у бактерий; однако модель молярности не учитывает ко-транскрипцию или распределение генов, обнаруженных в опероне. [2]
Повторяющиеся гены могут встречаться в двух основных моделях: кластеры генов и тандемные массивы , или ранее называвшиеся тандемно выстроенными генами . Несмотря на схожесть, кластеры генов и тандемно выстроенные гены можно отличить друг от друга.
Генные кластеры обнаруживаются близко друг к другу при наблюдении на одной и той же хромосоме. Они разбросаны случайным образом; однако, генные кластеры обычно находятся в пределах, максимум, нескольких тысяч оснований друг от друга. Расстояние между каждым геном в генном кластере может варьироваться. ДНК, обнаруженная между каждым повторяющимся геном в генном кластере, не является консервативной. [10] Обнаружено, что части последовательности ДНК гена идентичны в генах, содержащихся в генном кластере. [5] Генная конверсия является единственным методом, при котором генные кластеры могут стать гомогенизированными. Хотя размер генного кластера может варьироваться, он редко включает более 50 генов, что делает кластеры стабильными по количеству. Генные кластеры изменяются в течение длительного эволюционного периода времени, что не приводит к генетической сложности. [10]
Тандемные массивы представляют собой группу генов с одинаковой или похожей функцией, которые повторяются последовательно без пробелов между каждым геном. Гены организованы в одинаковой ориентации. [10] В отличие от кластеров генов, тандемно расположенные гены, как обнаружено, состоят из последовательных идентичных повторов, разделенных только нетранскрибируемой спейсерной областью.
[11] В то время как гены, содержащиеся в кластере генов, кодируют похожие белки, идентичные белки или функциональные РНК кодируются тандемно расположенными генами. Неравная рекомбинация , которая изменяет количество повторов, помещая дублированные гены рядом с исходным геном. В отличие от кластеров генов, тандемно расположенные гены быстро изменяются в ответ на потребности окружающей среды, вызывая увеличение генетической сложности. [11]
Генная конверсия позволяет тандемно выстроенным генам стать гомогенизированными или идентичными. [11] Генная конверсия может быть аллельной или эктопической. Аллельная генная конверсия происходит, когда один аллель гена преобразуется в другой аллель в результате несоответствия пар оснований во время гомологичной рекомбинации мейоза . [12] Эктопическая генная конверсия происходит, когда одна гомологичная последовательность ДНК заменяется другой. Эктопическая генная конверсия является движущей силой согласованной эволюции семейств генов. [13]
Тандемно расположенные гены необходимы для поддержания больших семейств генов, таких как рибосомальная РНК . В эукариотическом геноме тандемно расположенные гены составляют рибосомальную РНК. Тандемно повторяющиеся рРНК необходимы для поддержания транскрипта РНК. Один ген РНК может быть не в состоянии обеспечить достаточное количество РНК. В этой ситуации тандемные повторы гена позволяют обеспечить достаточное количество РНК. Например, человеческие эмбриональные клетки содержат 5-10 миллионов рибосом и удваиваются в количестве в течение 24 часов. Для того чтобы обеспечить существенное количество рибосом, несколько РНК-полимераз должны последовательно транскрибировать несколько генов рРНК. [11]