A genetika , genetikai párhuzamos a szorzás a genetikai anyag egy kromoszómán . Számos mechanizmus létezik, amelyek egy nagy kromoszóma-rész, egy gén vagy egy nukleotid- szekvencia duplikációjából származnak . A genom ezen változásai a genomok evolúciójának fontos motorját jelentik. Egy gén megduplázódása a szelekciós nyomásból felszabaduló extra kópiát eredményez , amely lehetővé teszi a kópia ismét megrázkódását anélkül, hogy káros lenne a szervezet következménye . Ez a molekuláris evolúció egyik fontos mechanizmusa .
Sok esetben azonban ezek a változások felelősek a genetikai betegségekért, mivel a genetikai adatok túlzott mértéke problémát okoz a fejlődés során. Ezenkívül a gén amplifikációja hozzájárulhat a tumor növekedéséhez . Például a C-myc onkogén sok daganatban gyakran felerősödik .
Fejlődésük során számos eukarióta faj genomjának teljes megkettőzésén ment keresztül. Ezután paleoploidizmusról beszélünk . Például pékélesztőben ( Saccharomyces cerevisiae ) genomja százmillió évvel ezelőtt megduplázódott. Sok növény genomja poliploid . Idézhetjük a búzát, amely hexaploid (genomjának 6 példánya). A közelmúltban egy francia-olasz együttműködés lehetővé tette a szőlő , a Vitis vinifera genomjának szekvenálását , amelyből kiderült, hogy a kétszikű növények őse genomjának többszörös megismétlődésén esett át egy- és kétszikű növények eltérése után ; az ős kétszikű növénynek hexaploidnak kellett lennie. A feltett hipotézis az lenne, hogy a genomnak ez a duplikációja a kétszikű növények sugárzásának eredete .
Két mechanizmus teszi lehetővé a genom teljes duplikációját:
A genomok duplikálása ritka, mert az embrióban a géndózis megváltoztatása gyakran halálos . Másrészt a növények 30-80% -a poliploid, és az orrszárnyú fajták számában bekövetkezett robbanás korrelál egy ősnövény genomjának teljes duplikációjával. Ez azzal magyarázható, hogy az állatoknál összehasonlítva nagyobb tolerancia mutatkozik a kromoszómák számának változásában az angyalsejtekben. Legutóbbi genom duplikációk nyúlik vissza kevesebb, mint 150 éve azonosítottak számos növényben, mint a bakszakáll , ahol a faj Tragopogon Mirus és Tragopogon miscellus megjelent mintegy 80 évvel ezelőtt allotetraploidy. Ezek a megállapítások lehetővé teszik számunkra a ploidia változásának fenotípusos és genetikai következményeinek megértését.
Sok bizonyíték halmozódik fel, amely azt mutatja, hogy a gerincesek evolúciója során a genom számos teljes duplikációja történt. A kb. 450 millió évvel ezelőtti kambriumi robbanás után a Chordates egyik őse genomjának első megismétlése következett be, majd 10 millió évvel később, a devoni periódus kezdetén , a genom második teljes megkettőzésével. Végén a devon , harmadik genom párhuzamos zajlott ray-lamellás halak .
2R feltételezésAz emberi gének számának első becslése azt mutatta, hogy a gerincesek genomja összetettebb, mint a gerincteleneké. A gerinces genom méretének növekedésének magyarázatára Susumu Ohno 1970-ben azt javasolta, hogy a gerinces genom a genom egy vagy több teljes duplikációjának eredménye. Ma ezt a hipotézist 2R (2 Round) hipotézis néven ismerik, mert azt állítja, hogy 450 millió évvel ezelőtt egy ősi gerinces faj két genom duplikációs eseményen ment keresztül. A 90-es években ez a hipotézis rendkívül ellentmondásos volt, mert a gén duplikációk maradványai az evolúcióval eltűnnek. Ma azonban ez a hipotézis rengeteg genetikai és filogenetikai bizonyítékot gyűjtött össze. Az egyik első érv a párhuzamos gének többsége közötti kapcsolat hiánya volt . Valójában egy szegmentális duplikációt követően a duplikált gének ugyanazon a kromoszómán vannak, és ezért genetikailag kapcsolódnak. Másrészt a genom duplikációját követően a duplikált gének különböző kromoszómákon találhatók. Végül a fő érv a 2R hipotézis mellett a Hox gén komplexek tanulmányozásából származik, amelyek a 4: 1 szabályt követik, vagyis gerincteleneknél egy Hox komplex, a gerincesek többségében négy Hox komplex található, ami két genom eredménye lenne. duplikációs események.
Paralogon HoxA Hox-komplex egy homeotikus gén gyűjteménye, amely egy kromoszómán csoportosulva transzkripciós faktorokat kódol, amelyek nélkülözhetetlenek az állatok anteroposterior tengelyének és szegmentális azonosságának megállapításához. A négy Hox-komplex emberben a 2., 7., 12. és 17. kromoszómán található. Mindegyik komplexhez közel van egy Dlx , Collagen és / vagy ErbB családba tartozó paralógén . Tehát a Hox paralogon megfelel a Hox komplex közelében elhelyezkedő paralog génekkel társított Hox komplexeknek. Több párhuzamos gén jelenléte a Hox komplexek közelében a 2R hipotézis egyik fő érve. A filogenetikai elemzések azonban azt mutatták, hogy egyes paralóg gének és a Hox gének evolúciós története eltérõ, ami ellentmond a 2R hipotézisnek. Nemrégiben egy tanulmány azt javasolja, hogy a Hox-komplexeken belül a genom második teljes duplikációja után bekövetkező két kölcsönös transzlokáció magyarázza a Hox paralogonon belüli evolúció különbségeit.
3R feltételezés1998-ban hét Hox-komplexet azonosítottak a Danio rerio zebrakban . A tanulmány szerzői azt javasolták, hogy az ős gerincesekben előforduló két genom-duplikáció után egy harmadik genom-duplikációs esemény fordult elő kifejezetten teleost halakban, ami nyolc Hox-komplexet eredményezett, amelyet egy Hox-komplex elvesztése követett.
4R feltételezés2005-ben egy kanadai csapat kimutatta, hogy a lazacfélék családjába tartozó atlanti lazacban és szivárványos pisztrángban tizennégy Hox-komplex volt, ami a lazacfélék családjának specifikus genomjának újbóli megkettőzésére utal .
A duplikációt néha részleges triszómiaként írják le . Kétféle duplikáció létezik:
Megkülönböztethetjük a duplikációkat is:
Számos szindróma következik be a kromoszóma egy szegmensének duplikációjából, például a Beckwith-Wiedemann-szindróma vagy az 1. típusú Charcot-Marie-Tooth betegség . Bár gyakran káros egy szervezet számára, számos faj genomjának elemzése, különös tekintettel az emberi genomra, számos duplikált régió jelenlétét tárta fel.
Az emberi genom szekvenálása és elemzése feltárta, hogy a kromoszómák nagy darabjai hasonlóak voltak. A főemlősök evolúciója során 400 kromoszómaszegmens számos intrakromoszomális (azonos kromoszómák között) és interkromoszomális (különböző kromoszómák között) duplikációs eseményen ment keresztül, amelyek némelyike, amely a genom 5% -át képviseli, az emberi genomra jellemző. Ezek a duplikált kromoszómaszegmensek elsősorban a telomerek és a centromerek közelében helyezkednek el. Ezenkívül ezek a duplikált régiók érzékenyek a kromoszóma-átrendeződésekre, és a transzlokációk, deléciók vagy inverziók törései. Bár káros, a duplikált kromoszómatöredékek arányosan transzkripciósan aktívabbak, mint a főemlős genomok egyes régiói. Ezenkívül ezek az ismétlődő duplikációk új, a hominoidokra jellemző géncsaládokat hoztak létre.
15. kromoszómaA 15. kromoszóma 8,8% -a megduplázódott kromoszómaszegmenseknek felel meg, amelyek 50% -a intrakromoszómális duplikáció. Például a 15q régióban egy 2920 bázispár "mag" szekvenciát azonosítottak. 37-szer ismételjük meg a 15. kromoszómán, kétszer az Y kromoszómán, egyszer pedig a 2. és 10. kromoszómán. A „szív” kromoszóma ezen részének különböző szekvenciáinak elemzése lehetővé tette e szekvencia előzményeinek összefoglalását. A kutyák és egerek csak egy példányát tartalmazzák ennek a "szív" szekvenciának a 2. emberi kromoszómának megfelelő kromoszómán. Így, ez a szekvencia másolták retrotransposition kromoszómán 10, majd egy nagyobb fragmens 15 kilobázisos másolt kromoszómán 15. Ez a 15 kb DNS szegmenst azután duplikált többször kromoszómán 15. A két példányban a kezdeti „szív” szekvencia az Y-kromoszóma egy 40 kb-os szekvencia másolásának eredménye a 15. kromoszómából. Mint korábban említettük, a duplikált régiók a kromoszóma törékeny részei és érzékenyek a kromoszóma-átrendeződésekre. A duplikált 15q11-q13 régió kromoszóma deléciói okozzák Prader-Willi és Angelman szindrómáit .
Beckwith-Wiedemann-szindrómaA Beckwith-Wiedemann-szindrómára a nagy méret, a makroglossia és az organomegalia jellemző , és nagyszámú esetben a 11. kromoszóma terminális régiójának duplikációját eredményezi apai úton. Ez a kromoszomális régió két, a növekedés szabályozásához elengedhetetlen gént tartalmaz; az IGF2 és H19 gének . Az IGF2 egy sejtproliferációt stimuláló növekedési faktor, és a H19 nem kódoló RNS-t kódol. Ezeknek a géneknek az expresszióját a szülői lenyomatok összetett mechanizmusa erősen szabályozza . Az anyai kromoszómán az „IGF2” gén elnyomódik és a H19 expresszálódik, míg az apai kromoszómán az IGF2 gén expresszálódik és a H19 elnyomódik. A szindróma a 11-es apai kromoszóma terminális részének részleges megkettőzéséből adódik. Ez a duplikáció az IGF2 gén további másolatát adja a 11. kromoszómán, ami az IGF2 növekedési faktor termelésének növekedéséhez vezet.
Egy evolúció során egy adott gén megkettőzhető. Négy fő mechanizmus létezik, amely lehetővé teszi egy gén vagy néhány gén megkettőzését:
A gének megismétlődése rendkívül gyakori esemény. Így ugyanazon gén ismétléseinek száma változhat ugyanazon faj egyedei között, így kialakul az ismétlések számának polimorfizmusa . A gének számának növekedését azonban ellensúlyozza a gének elvesztése, amely szintén meglehetősen erős, főként a genetikai sodródás, de a kódoló gének számának növekedése által generált fehérjekoncentráció-növekedés ellenszelekciójával is. fehérje.
Öt evolúciós forgatókönyv létezik a gén duplikáció után:
A genomok evolúciója során a gének egyesülhetnek vagy megrepedhetnek. A duplikált gén szubfunkcionálásának egyik következménye lehet egy gén hasadása két különböző génbe. Valóban, abban az esetben, ha az eredeti gén két külön funkcionális doménnel rendelkező fehérjét kódol, amelyeket I és II-nek jelölünk, az egyik duplikált gén mutációkat (degenerációt) halmoz fel a II. Doménnek megfelelő régióban, míg a második gén mutációkat halmoz fel a I. domén. Ennek eredményeként az 1. gén az I doménnel rendelkező fehérjét kódolja, a második gén pedig a II. doménnel rendelkező fehérjét kódolja. Ezt a gén hasadási mechanizmust mutatták ki Drosophilában a Monkey-king gén vizsgálata során.
A szaporodási izoláció elengedhetetlen a speciációhoz, mivel lehetővé teszi a különféle fajok divergenciájának és fenntartásának megindítását. Ha két szoros rokonságban lévő faj alkalmazkodik a különböző környezetekhez, akkor hibridjeik kevésbé lesznek alkalmazkodva ezekhez a környezetekhez: hibrid gyengeségről beszélünk . Ez a jelenség a gén-inkompatibilitás Dobzhansky-Muller-modelljével magyarázható, amelyet Theodosius Dobzhansky 1936-ban és Herman Joseph Müller 1942-ben fejlesztett ki. William Bateson munkájának újrafelfedezése arra késztette néhány szerzőt, hogy Bateson-Dobzhansky-Muller modellről beszéljenek. A modell azt sugallja, hogy két lókusz közötti negatív episztatikus kölcsönhatás hibrid gyengeséghez vezet. 2000-ben Michael Lynch és Allan G. Force adaptálta a gének inkompatibilitási modelljét a gének megkettőzéséhez. Azt javasolták, hogy a gén duplikációt követően a reciprok génveszteség a reproduktív izolációhoz vezető tényező. Így ez a modell megmagyarázná a genom teljes duplikációjának eseményei és bizonyos phyla evolúciós sugárzása közötti összefüggést. Például kimutatták, hogy a sütőélesztő ősében, amely teljes genom duplikáción esett át, a duplikált gének gyors elvesztése számos élesztőfaj megjelenését támogatta a gének inkompatibilitási mechanizmusa révén.
A mikroRNS vannak RNS egyszálú 21-23 nukleotid hosszú, hogy szabályozzák a poszttranszkripciós génexpresszió. Az Arabidopsis thaliana növényben van egy olyan mikroRNS-csoport, amely erős szekvenciahomológiát mutat a célgénjeivel, és amelyek nemrég jelentek meg az evolúció során. Ezek a mikroRNS-ek a reverz gén duplikációk eredménye.
Az exonok tandem duplikációja egy exon ugyanazon génen belüli belső duplikációjának felel meg. Ez a fajta duplikáció fontos innovációs forrás, mert lehetővé teszi új f-ek létrehozását ugyanazon a fehérjén belül. A Homo sapiens , a Drosophila melanogaster és a Caenorhabditis elegans férgek genomjának átfogó elemzése 12291 tandem exon duplikáció esetet mutatott ki. Az intronikus régiók elemzése 4660 karakterizálatlan duplikált exont is feltárt. Ezen potenciális exonok közül 35,1% található az EST adatbázisokban, megerősítve potenciális szerepüket.
Ezeknek a bázispároknak a replikációja számos genetikai betegségből ered, például a törékeny X-szindróma vagy a Huntington- kór . A Streptococcus pneumoniae baktériumban az R22 riboszomális fehérjét kódoló rplV gén 18 bázispárának duplikációja felelős a makroliddal szembeni rezisztenciáért . Ez a duplikáció 6 aminosav duplikációt generál a makrolid kölcsönhatásának helye közelében a riboszóma 23S alegységén, ezzel blokkolva az antibiotikum és a riboszóma kölcsönhatását.
A prokarióta genomok elemzése számos paralóg gént tárt fel . A baktériumtípusoktól függően a paralóg gének aránya a Rickettsia conorii genomjának 7% -ától a Streptomyces coelicolor 41% -áig terjed . A 2004-ben szekvenált 106 bakteriális genom közül a baktérium genomjának átlagosan 25% -a paralóg génekből áll. Nagyon szoros összefüggés van a baktérium genom nagysága és a duplikált gének aránya között is.
A prokariótákban a gének duplikációjának három mechanizmusa van:
Az Escherichia coli K12-ben a homológ gének 16% -a xenológ, ami arra utal, hogy a horizontális géntranszfer alacsony hatással van a paralóg gének arányára. Átlagosan a paralóg gének 15% -a tandemben szerveződik, ami tandem gén duplikációs eseményekre utal, amelyek operon duplikációt eredményezhetnek .
A prokariótákban nem sikerült kimutatni a genom teljes ősi duplikációját. Egyes baktériumok azonban egy fejlődési szakaszban poliploidak, mint például a Buchnera aphidicola, amelynek genom kópiaszáma gazdája, a zöld fa levéltetvek fejlettségi fokától függően változik .
A legtöbb eukarióta genom nagyszámú funkcionális duplikációs gént hordoz, amelyek nagy többsége 10-100 millió évvel ezelőtt jelent volna meg. Hatalmas duplikációs eseményeket követően a duplikált gének körülbelül 20-50% -a megmarad. Ez a megőrzés arra utal, hogy létezik egy természetes szelekciós mechanizmus , amely kompenzálná a pszeudogének termelését . A duplikáció után előfordulhat, hogy az ősfunkciók szétválnak a két példány között, például különböző szövetekben ( alul-funkcionalizációként ismert jelenség ); új funkció megjelenése az egyik példányban (a neofunkcionalizáció néven ismert jelenség ); minden másolat elvesztését vagy csökkenését tapasztalhatja funkcióinak expressziója degeneratív mutációkkal.
A baktériumok genomjának fejlődését mélyen befolyásolja a különböző baktériumfajok közötti géncsere. A metabolikus utak evolúciója az E. coliban főleg a horizontális géncseréből következik be, azonban úgy tűnik, hogy a gén duplikáció is hozzájárul a baktériumok evolúciójához. Az előnyösen duplikált gének részt vesznek az aminosavak metabolizmusában , a szervetlen ionokban és a transzkripciós szabályozásban . Egyes fajokban egy génosztály génterjeszkedését javasolták evolúciós adaptációként. Például a mikobaktériumok baktériumfalának bonyolultsága azzal magyarázható, hogy a lipidek anyagcseréjében és transzportjában szerepet játszó génnemzetségnek ez a bakteriális nemzetsége megismétlődik .
A baktériumok alkalmazkodhatnak az antibiotikum toxicitásához a mechanizmusok nagy részének köszönhetően, amelyek akár pontmutációkból, akár horizontális géntranszferből származnak . A fő ellenállási mechanizmusok a következők:
A baktérium antibiotikumhoz történő adaptációját két szakaszban hajtják végre:
A génamplifikációk instabilak és szelekciós nyomás hiányában elveszhetnek homológ rekombinációval. Így a duplikált gének fenntarthatók olyan baktériumtörzsekben, ahol a Rec A fehérje hiányos. Vannak azonban olyan mechanizmusok, amelyek a Rec A A-tól függetlenek a kettős génvesztéshez, és amelyek nem jól ismertek.
Gén amplifikáció plazmidonAz 1970-es évek elején az antibiotikumokkal szembeni rezisztenciát hordozó géneket hordozó R plazmidok felfedezése lehetővé tette a gének duplikációjának első szerepét az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia jelenségében. Az NR1 plazmid nagysága megnő a Proteus mirabilis- ben alacsony koncentrációjú klóramfenikol , sztreptomicin és szulfonamid jelenlétében . Az amplifikált régió a plazmidot hívjuk determináns-r (R ellenállás) és kétoldalt közvetlenül ismétlődő IS1 ( inszerciós szekvencia 1 ) szekvenciákat , amelyek lehetővé teszik régiója megsokszorozásával köszönhetően szekvenciahomológiát közötti IS1 szekvenciák eredményező homológ rekombináció. Közötti testvér kromatidok . Számos baktériumban a plazmid gén-amplifikálásával társított rezisztencia gyakran társul az IS-szekvencia jelenlétével. Van azonban néhány olyan eset, amikor a tökéletlen homológ régiók lehetővé tehetik a rezisztencia gének amplifikációját, például a tetL gén amplifikációját a pAMα1 plazmidon, amely az Enterococcus faecalis tetraciklinnel szembeni rezisztenciát biztosít .
Gén amplifikáció a baktériumok kromoszómájánA kromoszomális gének amplifikációja hasonló a bakteriális plazmidokon megfigyelthez. Például β-laktamáz amplifikációt figyeltek meg Escherichia coli és Yersinia enterocolitica esetében , amelyek β-laktám rezisztenciát okoztak a Rec A fehérjétől függő és független mechanizmusokkal. Vannak azonban olyan konkrét példák, ahol csak néhány pár bázis duplikálódik. A Staphylococcus aureus és a Yersinia enterocolitica esetében az ermA nevű makrolidrezisztencia gén riboszóma belépési helyének duplikációja (az eritromicinrezisztencia metiláz A számára) az ermA transzláció stimulálásához vezet. Végül a Streptococcus pneumoniae baktériumban az L22 riboszómális fehérjét kódoló rplV génben 18 bázispár duplikálása felelős a makrolidokkal szembeni rezisztenciáért . Ez a duplikáció 6 aminosav duplikációt generál a makrolid kölcsönhatásának helye közelében a riboszóma 23S alegységén, így blokkolja az antibiotikum és a riboszóma kölcsönhatását. Az antibiotikumokkal szemben rezisztenciát okozó génamplifikációk többségét kutató laboratóriumok indukálták. A klinikai vizsgálatok során a gén amplifikációjának azonosítása meglehetősen ritka, valószínűleg a gén amplifikáció instabilitása miatt. A Streptococcus agalactiae törzsek szűrésekor két szulfonamidra és trimetoprimra rezisztens törzset izoláltunk a B9-vitamin szintézisében részt vevő folCEPBK operont tartalmazó amplifikációval .