Gēnu ģimene — definīcija, funkcijas, evolūcija un piemēri

Gēnu ģimene: definīcija, funkcijas un evolūcija ar spilgtiem piemēriem (hemoglobīns, ožas receptori, homeoboksi, imūngēni) — skaidri, zinātniski un pieejami.

Gēnu ģimene ir vairāku līdzīgu gēnu kopums, kas bieži cēlies no viena kopīga senča gēna. Šādas ģimenes parasti rodas dubultojot gēnu vai gēnu kopas, un to locekļiem bieži ir līdzīgas bioķīmiskās vai funkcijas, kaut arī ar laiku tie var attīstīt arī jaunas īpašības. Ideja, ka gēni dublējas un no dubultojumiem radās jaunas funkcijas, ir gandrīz tikpat sena kā pati ģenētika.

Veidošanās mehānismi

Gēnu ģimenes var rasties dažādos veidos. Biežākie mehānismi:

• Tandēma dublikācija — lokālas dublikācijas, kas rada vairākus līdzīgus gēnus vienā klasterī.
• Sekvences segmentu dublikācija — lielāku DNS bloku kopēšana un ievietošana citā genomikas vietā.
• Visa genoma dublikācija — visas hromosomas dublikācija, kas radusi plašas ģimenes, īpaši augos un dažos dzīvniekos.
• Retrotranspozīcija — mRNA reversā transkripcijā un ievietošana genomā var radīt cita veida gēnu kopijas (bieži bez introniem vai ar izmainītu regulāciju).

Funkcionālā attīstība pēc dublikācijas

Pēc dublikācijas gēnu kopijas var attīstīties dažādos virzienos:

• Neofunkcionalizācija — viena no kopijām iegūst jaunu funkciju, kas nebija pieejama sākotnējam gēnam.
• Subfunkcionalizācija — sākotnējās funkcijas tiek sadalītas starp gēnu kopijām (piem., atšķirīga audu ekspresija vai attīstības stadijas).
• Pseidoģenizācija — viena kopija kļūst neaktīva (pseidoģens) sakarā ar neveiksmīgiem mutāciju uzkrājumiem.
• Var mainīties arī gēna regulācija — dublikācijas var radīt izmaiņas ekspresijas līmenī un laikā, radot jaunas fenotipiskas iespējas vai pat nelabvēlīgas sekas (pārmērīga ekspresija).

Gēnu klasteri un regulācija

Dažas ģimenes saglabājas kā klasteri vienā vai vairākās genomikas vietās. Klasteru ekspresijas regulē bieži ar kopīgiem promotoru vai lokus kontroles elementiem, kas nodrošina pareizu laika un audu specifisku izteikšanos. Šāda organizācija ir svarīga, piemēram, attīstības gēnu vai hemoglobīna gadījumā.

Paraugi un nozīmīgākās ģimenes

Viena labi izpētīta gēnu ģimene ir cilvēka hemoglobīna apakšvienību gēni. Desmit gēni atrodas divās grupās dažādās hromosomās, ko sauc par α-globīna un β-globīna lokusiem. Tiek uzskatīts, ka šie divi gēnu klasteri ir radušies pirms aptuveni 500 miljoniem gadu, dublējot gēnu priekšgājēju. Šajā ģimenē dažādas kopijas tiek izteiktas atšķirīgos attīstības posmos (embrionāls, fetāls, pieaugušais), kas ir labs piemērs subfunkcionalizācijai un regulācijas evolūcijai.

Par lielāko gēnu ģimeni uzskata ožas gēnus. Dzīvniekos to skaits var sasniegt simtiem vai pat tūkstošus kopiju, un daļa no tām bieži ir pseidoģeni — tas atspoguļo tās ātro sugas-specifisko attīstību un pielāgošanos vides smaržas uztverei.

Vēl viena svarīga grupa ir homeoboks (piem., HOX) gēni, kas regulē ķermeņa plānus un attīstības procesus. HOX klasteri demonstrē, kā gēnu dublikācijas un sadalīšanās var radīt sarežģītas attīstības regulācijas shēmas.

Imūnsistēmas gēni ietver vairākas gēnu ģimenes. Tie kodē galveno histokompatibilitātes kompleksu un imūnglobulīnus, kuriem piemīt liela daudzveidība, lai atpazītu dažādas antigēnu formas. Zīdītājiem galvenie infekcijas sensori ir Toll līdzīgie receptori, kas arī ir gēnu ģimenes piemērs — katrs loceklis var atpazīt atšķirīgas mikrobu molekulas.

Evolūcijas un medicīnas nozīme

Gēnu ģimeņu dinamika ir centrāla evolūcijas inovāciju radīšanā — dublikācijas piedāvā daudzas “eksperimentālās” kopijas, kuras var pakāpeniski attīstīt jaunām funkcijām. Tajā pašā laikā gēnu ģimenes ir saistītas ar cilvēka veselību:

• Dažas ģimenes paplašināšanās vai saīsināšanās (kopijas skaita maiņa) var izraisīt slimības vai būt saistīta ar iedzimtām traucējumiem (copy number variations, CNV).
• Pseidoģeni var ietekmēt genoma stabilitāti un, retos gadījumos, radīt jaunas regulācijas iespējas.
• Patogēnu gēnu ģimeņu paplašināšanās (piem., virulences faktoru) var mainīt infekciju īpašības un ietekmēt vakcīnu/medikamentu izstrādi.

Kā pēta gēnu ģimenes

Pētnieki izmanto vairākas metodes, lai identificētu un pētītu gēnu ģimenes: salīdzināšanas genomika un filogenētiskā analīze, sinerģijas (saskatot saglabātas gēnu kārtības blokus), ekspresijas dati (RNA-seq) un funkciju testi ar ģenētiskām manipulācijām. Šie pieejas palīdz noteikt, kuri gēni ir radušies no kopīga priekšteča, kā arī kad un kā tie ir iegūti vai zaudēti evolūcijas gaitā.

Kopumā gēnu ģimenes ir būtisks elements genomu organizācijā un evolūcijā: tās nodrošina pieredzi jaunu funkciju rašanās procesā, vienlaikus ietekmējot sugu pielāgošanos, attīstību un veselību.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir gēnu ģimene?

J: Ar ko parasti atšķiras gēnu ģimenes?

J: Kāds ir gēnu ģimenes piemērs cilvēkam?

J: Kā cilvēkos radās α-globīna un β-globīna lokusi?

J: Kāda ir lielākā gēnu saime?

J: Kādas ir citas svarīgas gēnu ģimenes?

J: Cik sena ir ideja, ka gēni dublējas?

Meklēt pēc burta