Семейство генов — это совокупность нескольких сходных генов, образованных путем дупликации одного исходного гена и обычно обладающих сходными биохимическими функциями. Одним из таких семейств являются гены субъединиц гемоглобина человека ; десять генов находятся в двух кластерах на разных хромосомах, называемых локусами α-глобина и β-глобина . Считается, что эти два кластера генов возникли в результате дублирования гена-предшественника примерно 500 миллионов лет назад. [1]
Гены подразделяются на семейства на основе общих нуклеотидных или белковых последовательностей . Филогенетические методы можно использовать в качестве более строгого теста. Положения экзонов в кодирующей последовательности можно использовать для вывода об общем происхождении. Знание последовательности белка, кодируемого геном, может позволить исследователям применять методы, которые находят сходства между последовательностями белков, которые дают больше информации, чем сходства или различия между последовательностями ДНК .
Если гены семейства генов кодируют белки, термин « семейство белков» часто используется аналогично термину « семейство генов» .
Расширение или сокращение семейств генов в определенной линии может происходить случайно или быть результатом естественного отбора. [2] На практике провести различие между этими двумя случаями часто бывает сложно. В недавних работах используется сочетание статистических моделей и алгоритмических методов для обнаружения семейств генов, находящихся под действием естественного отбора. [3]
Комитет по номенклатуре генов HUGO (HGNC) создает номенклатурные схемы, используя символ «ствола» (или «корня») для членов семейства генов (по гомологии или функции) с иерархической системой нумерации для различения отдельных членов. [4] [5] Например, для семейства пероксиредоксинов PRDX является корневым символом, а членами семейства являются PRDX1 , PRDX2 , PRDX3 , PRDX4 , PRDX5 и PRDX6 .
Одним из уровней организации генома является группировка генов в несколько семейств генов. [6] [7] Семейства генов — это группы родственных генов, имеющих общего предка. Члены семейств генов могут быть паралогами или ортологами. Паралоги генов — это гены со схожими последовательностями у одного и того же вида, тогда как ортологи генов — это гены со схожими последовательностями у разных видов. Семейства генов сильно различаются по размеру, разнообразию последовательностей и расположению. В зависимости от разнообразия и функций генов внутри семейства семьи можно классифицировать как мультигенные семьи или суперсемейства. [6] [8]
Мультигенные семейства обычно состоят из членов со схожими последовательностями и функциями, хотя высокая степень расхождения (на уровне последовательности и/или функциональном уровне) не приводит к удалению гена из семейства генов. Отдельные гены в семье могут располагаться близко друг к другу на одной хромосоме или разбросаны по всему геному на разных хромосомах. Из-за сходства последовательностей и перекрывающихся функций отдельные гены в семье часто имеют общие элементы регуляторного контроля. [6] [8] В некоторых случаях члены генов имеют идентичные (или почти идентичные) последовательности. Такие семьи позволяют при необходимости экспрессировать огромное количество генного продукта за короткое время. Другие семейства позволяют экспрессировать сходные, но специфические продукты в разных типах клеток или на разных стадиях развития организма. [6]
Суперсемейства намного больше, чем одиночные мультигенные семьи. Суперсемейства содержат до сотен генов, включая несколько мультигенных семейств, а также отдельные отдельные гены-члены. Большое количество членов позволяет суперсемействам быть широко рассредоточенными, при этом некоторые гены группируются, а некоторые разбросаны далеко друг от друга. Гены разнообразны по последовательности и функциям, демонстрируя различные уровни экспрессии и отдельные регуляторные механизмы. [6] [8]
Некоторые семейства генов также содержат псевдогены — последовательности ДНК, которые очень напоминают установленные последовательности генов, но нефункциональны. [9] Существуют различные типы псевдогенов. Непроцессированные псевдогены — это гены, которые со временем приобрели мутации и стали нефункциональными. Процессированные псевдогены — это гены, которые потеряли свою функцию после перемещения по геному путем ретротранспозиции. [8] [9] Псевдогены, которые были изолированы от семейства генов, из которого они произошли, называются сиротами . [6]
Семейства генов возникли в результате множественных дупликаций предкового гена с последующей мутацией и дивергенцией. [6] Дупликации могут происходить внутри одной линии (например, у людей могут быть две копии гена, который у шимпанзе встречается только один раз) или они являются результатом видообразования. Например, один и тот же ген предка человека и шимпанзе теперь встречается у обоих видов, и его можно считать «дублированным» в результате видообразования. В результате дупликации путем видообразования семейство генов может включать 15 генов, по одной копии у каждого из 15 различных видов.
При формировании семейств генов существуют четыре уровня дупликации: 1) дупликация и перетасовка экзонов , 2) дупликация всего гена , 3) дупликация мультигенного семейства и 4) дупликация всего генома . Дублирование и перетасовка экзонов приводит к появлению вариаций и появлению новых генов. Затем гены дублируются, образуя мультигенные семейства, которые дублируются, образуя суперсемейства, охватывающие несколько хромосом. Полногеномное дублирование удваивает количество копий каждого гена и семейства генов. [6] Дупликация или полиплоидизация всего генома может быть либо автополиплоидизацией, либо аллоплоидизацией. Автополиплоидизация — это дупликация одного и того же генома, а аллополиплоидизация — это дупликация двух близкородственных геномов или гибридизированных геномов разных видов. [8]
Дупликация происходит главным образом за счет неравномерного кроссинговера в мейозе зародышевых клеток. (1,2) Когда две хромосомы не совпадают, кроссинговер – обмен аллелями генов – приводит к расширению или увеличению числа генов в одной хромосоме, а к сокращению или уменьшению числа генов в другой. Расширение кластера генов — это дупликация генов, которая приводит к образованию более крупных семейств генов. [6] [8]
Генные члены мультигенного семейства или мультигенных семейств внутри суперсемейства существуют на разных хромосомах из-за перемещения этих генов после дупликации предкового гена. Мобильные элементы играют роль в движении генов. Мобильные элементы распознаются по инвертированным повторам на их 5'- и 3'-концах. Когда два мобильных элемента расположены достаточно близко в одном и том же участке хромосомы, они могут образовывать составной транспозон. Белковая транспозаза распознает самые крайние инвертированные повторы, разрезая сегмент ДНК. Любые гены между двумя мобильными элементами перемещаются, когда составной транспозон переходит в новую область генома. [6]
Обратная транскрипция — еще один метод движения генов. Транскрипт мРНК гена подвергается обратной транскрипции или копированию обратно в ДНК. Эта новая ДНК-копия мРНК интегрируется в другую часть генома, в результате чего члены семейства генов рассредоточиваются. [8]
Особый тип мультигенного семейства участвует в движении семейств генов и членов семейства генов. Семейства LINE ( длинные IN- террасные элементы ) и SINE ( короткие IN- терперированные элементы ) представляют собой высокоповторяющиеся последовательности ДНК, разбросанные по всему геному . LINE содержат последовательность, кодирующую белок обратной транскриптазы. Этот белок помогает копировать РНК-транскрипты LINE и SINE обратно в ДНК и интегрировать их в различные области генома. Это способствует дальнейшему развитию семейств LINE и SINE. Из-за часто повторяющейся природы этих элементов, LINE и SINE, находясь близко друг к другу, также вызывают события неравного кроссинговера, которые приводят к дупликации одного гена и образованию семейств генов. [6] [8]
Несинонимические мутации, приводящие к замене аминокислот, увеличению дублированных копий генов. Дупликация приводит к появлению нескольких копий одного и того же гена, обеспечивая уровень избыточности, при котором мутации допустимы. При наличии одной функционирующей копии гена другие копии могут приобретать мутации, не нанося при этом особого вреда организму. Мутации позволяют повторяющимся генам приобретать новые или другие функции. [8]
Некоторые мультигенные семейства чрезвычайно однородны: отдельные члены генов имеют идентичные или почти идентичные последовательности. Процесс, посредством которого семейства генов поддерживают высокую однородность, называется согласованной эволюцией . Согласованная эволюция происходит посредством повторяющихся циклов неравных событий кроссинговера и повторяющихся циклов переноса и конверсии генов. Неравный кроссинговер приводит к расширению и сжатию семейств генов. Семейства генов имеют оптимальный диапазон размеров, в соответствии с которым действует естественный отбор. Сокращение удаляет расходящиеся копии генов и не дает семействам генов стать слишком большими. Расширение заменяет утраченные копии генов и не позволяет семействам генов становиться слишком маленькими. Повторяющиеся циклы переноса и конверсии генов все чаще делают членов семейства генов более похожими. [6]
В процессе переноса генов конверсия аллельных генов является предвзятой. Распространение мутантных аллелей в семействе генов в направлении гомогенности — это тот же процесс распространения выгодного аллеля в популяции в направлении фиксации. Конверсия генов также помогает в некоторых случаях создавать генетические вариации. [10]
Семейства генов, являющиеся частью иерархии хранения информации в геноме, играют большую роль в эволюции и разнообразии многоклеточных организмов. Семейства генов представляют собой большие единицы информации и генетической изменчивости. [6] С течением времени в ходе эволюции семейства генов расширялись и сокращались, при этом гены внутри семейства дублировались и диверсифицировались в новые гены, а гены терялись. Целое семейство генов также может быть утрачено или получено в результате рождения гена de novo в результате такого обширного расхождения, что ген считается частью нового семейства, или в результате горизонтального переноса генов . Когда количество генов в геноме остается относительно постоянным, это означает, что гены приобретаются и теряются с относительно одинаковой скоростью. Существуют некоторые закономерности, при которых гены с большей вероятностью теряются, а не при которых более вероятно дублирование и диверсификация в несколько копий. [11]
Адаптивное расширение одного гена на множество изначально идентичных копий происходит, когда естественный отбор отдает предпочтение дополнительным копиям гена. Это тот случай, когда на вид действует стрессор окружающей среды. Амплификация генов чаще встречается у бактерий и представляет собой обратимый процесс. Сокращение семейств генов обычно происходит в результате накопления мутаций, связанных с утратой функции. Нонсенс-мутация, которая преждевременно останавливает транскрипцию генов, закрепляется в популяции, что приводит к потере генов. Этот процесс происходит, когда изменения в окружающей среде делают ген ненужным. [7]
Помимо классификации по эволюции (структурное семейство генов), HGNC также создает «семейства генов» по функциям в их стволовой номенклатуре. [12] В результате стебель может также относиться к генам, которые имеют ту же функцию, часто являются частью одного и того же белкового комплекса . Например, BRCA1 и BRCA2 — это неродственные гены, оба названы в честь их роли в развитии рака молочной железы, а RPS2 и RPS3 — это несвязанные рибосомальные белки , находящиеся в одной и той же небольшой субъединице.
HGNC также поддерживает классификацию «групп генов» (ранее «семейства генов»). Ген может быть членом нескольких групп, и все группы образуют иерархию. Как и в случае со стволовой классификацией, существуют как структурные, так и функциональные группы. [4] [5]