Семейство генов – это совокупность гомологичных генов внутри одного организма. Кластер генов — это группа из двух или более генов , обнаруженных в ДНК организма , которые кодируют сходные полипептиды или белки , которые в совокупности имеют общую функцию и часто расположены на расстоянии нескольких тысяч пар оснований друг от друга. Размер кластеров генов может существенно 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 внутри кластера. Гены, находящиеся 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 были предложены четыре модели формирования и существования кластеров генов.
Эта модель получила общепринятое признание с середины 1970-х годов. Он постулирует, что кластеры генов образовались в результате дупликации и дивергенции генов . [2] Эти кластеры генов включают кластер генов Hox , кластер генов β-глобина человека и четыре кластерных гена гормона роста человека (hGH)/ хорионического соматомаммотропина . [3]
Кластеры консервативных генов, такие как Hox и кластер генов β-глобина человека, могут образовываться в результате процесса дупликации и дивергенции генов . Ген дублируется во время деления клетки , так что его потомки имеют две сквозные копии гена, тогда как у него была одна копия, первоначально кодирующая один и тот же белок или иным образом выполняющая одну и 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 располагаются рядом в хромосоме. [4] Оно предположил, что возникновение новых генов в ходе эволюции зависело от дупликации генов. Если бы в геноме вида существовала только одна копия гена, белки, транскрибируемые из этого гена, были бы необходимы для его выживания. Поскольку существовала только одна копия гена, они не могли подвергаться мутациям, которые потенциально могли бы привести к образованию новых генов; однако дупликация генов позволяет важным генам подвергаться мутациям в дублированной копии, что в конечном итоге приведет к появлению новых генов в ходе эволюции.
[5] Мутации в дублированной копии допускались, поскольку исходная копия содержала генетическую информацию, необходимую для функционирования основного гена. Виды, у которых есть кластеры генов, имеют селективное эволюционное преимущество, поскольку естественный отбор должен сохранять гены вместе. [1] [6] В течение короткого промежутка времени новая генетическая информация, представленная дублированной копией основного гена, не принесет практического преимущества; однако в течение длительного периода эволюции генетическая информация в дублированной копии может претерпеть дополнительные и радикальные мутации, в которых белки дублированного гена выполняют иную роль, чем белки исходного основного гена. [5] В течение длительного периода эволюции два похожих гена расходились, поэтому белки каждого гена были уникальными по своим функциям. Кластеры генов Hox, различающиеся по размеру, встречаются среди нескольких типов .
Когда происходит дупликация генов с образованием кластера генов, один или несколько генов могут дублироваться одновременно. В случае с геном Hox был дублирован общий предковый кластер ProtoHox, в результате чего образовались генетические кластеры в гене Hox, а также в гене ParaHox , эволюционном 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 дублирования кластера генов некоторые гены могут быть потеряны. Потеря генов зависит от количества генов, происходящих из кластера генов. В четырехгенной модели кластер ProtoHox содержал четыре гена, в результате чего образовались два кластера-близнеца: кластер Hox и кластер ParaHox. [7] Как следует из названия, двухгенная модель дала начало кластеру Hox и кластеру ParaHox в результате кластера ProtoHox, который содержал только два гена. Трехгенная модель изначально была предложена в сочетании с четырехгенной моделью; [8] однако, вместо кластера Hox и кластера ParaHox, возникшего в результате кластера, содержащего три гена, кластер Hox и кластер ParaHox возникли в результате тандемной дупликации одного гена, идентичных генов, обнаруженных рядом на одной и той же хромосоме. [7] Это не зависело от дублирования предкового кластера ProtoHox.
Дупликация генов может происходить посредством цис -дупликации или трансдупликации . Цис -дупликация, или внутрихромосомная дупликация, влечет за собой дупликацию генов в пределах одной и той же хромосомы, тогда как трансдупликация , или межхромосомная дупликация, состоит из дупликации генов на соседних, но отдельных хромосомах. [7] Формирование кластера Hox и кластера ParaHox было результатом внутрихромосомной дупликации, хотя первоначально считалось, что они являются межхромосомными. [8]
Модель Фишера была предложена в 1930 году Рональдом Фишером . Согласно модели Фишера, кластеры генов являются результатом того, что две аллели хорошо взаимодействуют друг с другом. Другими словами, кластеры генов могут проявлять коадаптацию . [3] Модель Фишера была признана маловероятной и позже отвергнута как объяснение формирования кластера генов. [2] [3]
В соответствии с моделью корегуляции гены организованы в кластеры, каждый из которых состоит из одного промотора и кластера кодирующих последовательностей, которые, следовательно, совместно регулируются, демонстрируя скоординированную экспрессию генов . [3] Когда-то скоординированная экспрессия генов считалась наиболее распространенным механизмом формирования кластеров генов. [1] Однако корегуляция и, следовательно, скоординированная экспрессия генов не могут стимулировать образование кластеров генов. [3]
Модель молярности учитывает ограничения размера ячейки. Совместная транскрипция и трансляция генов полезна для клетки. [9] таким образом, формирование кластерных генов генерирует высокую локальную концентрацию цитоплазматических белковых продуктов. У бактерий наблюдается пространственная сегрегация белковых продуктов; однако модель молярности не учитывает совместную транскрипцию или распределение генов, обнаруженных внутри оперона. [2]
Повторяющиеся гены могут встречаться в двух основных структурах: кластерах генов и тандемных массивах , или ранее называемых тандемно расположенными генами . Несмотря на схожесть, кластеры генов и тандемно расположенные гены можно отличить друг от друга.
Обнаружено, что кластеры генов расположены близко друг к другу, если наблюдать их на одной и той же хромосоме. Они разбросаны случайным образом; однако кластеры генов обычно находятся на расстоянии не более нескольких тысяч оснований друг от друга. Расстояние между каждым геном в кластере генов может варьироваться. ДНК, обнаруженная между каждым повторяющимся геном в кластере генов, неконсервативна. [10] Обнаружено, что части последовательности ДНК гена идентичны в генах, содержащихся в кластере генов. [5] Конверсия генов — единственный метод, при котором кластеры генов могут стать гомогенизированными. Хотя размер кластера генов может варьироваться, он редко включает более 50 генов, что делает кластеры стабильными по количеству. Кластеры генов изменяются в течение длительного эволюционного периода, что не приводит к генетической сложности. [10]
Тандемные массивы представляют собой группу генов с одинаковой или схожей функцией, которые повторяются последовательно без промежутков между каждым геном. Гены организованы в одинаковой ориентации. [10] В отличие от кластеров генов, тандемно расположенные гены состоят из последовательных идентичных повторов, разделенных только нетранскрибируемой спейсерной областью.
[11] Хотя гены, содержащиеся в кластере генов, кодируют сходные белки, идентичные белки или функциональные РНК кодируются тандемно расположенными генами. Неравная рекомбинация , которая изменяет количество повторов за счет размещения дублированных генов рядом с исходным геном. В отличие от кластеров генов, гены, расположенные тандемно, быстро изменяются в ответ на потребности окружающей среды, вызывая увеличение генетической сложности. [11]
Конверсия генов позволяет тандемно расположенным генам стать гомогенизированными или идентичными. [11] Генная конверсия может быть аллельной или эктопической. Аллельная конверсия гена происходит, когда одна аллель гена превращается в другую аллель в результате несовпадения пар оснований во время гомологичной рекомбинации мейоза . [12] Эктопическая конверсия генов происходит, когда одна гомологичная последовательность ДНК заменяется другой. Эктопическая конверсия генов является движущей силой согласованной эволюции семейств генов. [13]
Гены, расположенные тандемно, необходимы для поддержания больших семейств генов, таких как рибосомальная РНК . В геноме эукариот 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, эмбриональные клетки человека содержат 5–10 миллионов рибосом, их число удваивается в течение 24 часов. Чтобы обеспечить значительное количество рибосом, несколько РНК-полимераз должны последовательно транскрибировать несколько генов рРНК. [11]