Pseidogēni: kas tie ir, veidi un evolūcijas nozīme

Uzzini, kas ir pseidogēni, to veidus, evolūcijas lomu un kā "nelietderīgā" DNS atklāj genoma vēsturi un regulatīvas funkcijas.

Pseidogēni ir gēni, kas zaudējuši savu funkciju. Tie vairs neveido funkcionālas olbaltumvielas vai zaudējuši gēnu ekspresiju šūnā, tomēr saglabājas genoma secvenču formā. Termins tika ieviests 1977. gadā.

Kas ir pseidogēns un kā tas atšķiras no citiem DNA elementiem

Pseidogēns ir gēna atvasinājums, kas vairs neražo funkcionālu proteīnu. Lai gan pseidogēni bieži tiek saukti par nelietderīgu DNS, to DNS secinājumi var būt funkcionāli — piemēram, regulatīva loma vai transkripcijas produktu veidošana. Pseidogēniem parasti ir daudzas gēnam līdzīgas iezīmes: homoloģiskas sekvences attiecīgajam funkcionālajam gēnam, daļēji saglabātas eksoni vai promotera reģioni, taču tiem trūkst proteīnu kodēšanas spēju, ko izraisa dažādas traucējošas mutācijas.

Veidi

• Apstrādātie (processed) pseidogēni: radušies, kad mRNA tiek reversās transkripcijas ceļā iekļauta genomā (retrotranspozīcija). Parasti tiem nav intronu, tiem bieži ir polipradošanās (poly-A) pēdas un tie nesatur oriģinālā promotora elementu.
• Nestrādātie (unprocessed) vai dublikācijas pseidogēni: radušies gēnu dublikācijas rezultātā; saglabā intronu–eksonu struktūru, bet viena kopija pakāpeniski zaudē funkcionalitāti mutāciju dēļ.
• Unitārie pseidogēni: gēni, kuri zaudē funkciju bez rezerves kopijas (nav dublikāta) un tādējādi pilnīgi izzūd no selektīvā spiediena.

Kā pseidogēni rodas

Pseidogēni var rasties mutāciju rezultātā gēnā, kura produkts nav nepieciešams organisma izdzīvošanai vai reprodukcijai. Tipiskas izraisītājmateriāli ir:

• nonsenss mutācijas (stopkodonu ieviešana),
• rāmja nobīdes mutācijas (frameshift),
• izmaiņas splicingā, promotora zudums vai regulācijas elementu bojājumi,
• retrotranspozīcija, kas rada kopiju bez regulējošajām sekvencēm.

Struktūra un transkripcija

Lielākā daļa pseidogēnu satur elementus, kas atgādina to funkcionālos priekštečus — eksonus, intronus (ja nav apstrādātais tips) un citas homologās sekvences. Tomēr daudziem pseidogēniem ir pārtraukta atvērta lasīšanas rāmja (ORF) struktūra. Lai gan pseidogēni parasti neizveido stabilus proteīnus, daļa no tiem tiek transkribēti un var veidot nekodējošus RNS produktus, kas pilda regulējošas funkcijas vai darbojas kā miRNA „sūklis”.

Funkcionālā nozīme un evolūcijas loma

Pseidogēni bieži tiek uzskatīti par genoma „molekulāriem fosiliem”, jo tie satur informāciju par šo gēnu vēsturi. Tie var kalpot vairākām evolūcijai svarīgām lomām:

• Evolutionārs ieraksts: pseidogēnu sekvences ļauj izsekot gēnu kopējo aizvietojumu un dublikāciju vēsturi.
• Neitrāls variants: daudzi pseidogēni akumulē mutācijas bez negatīvām sekām, tādējādi kalpojot kā molekulārie pulksteņi.
• Jaunu funkciju avots: retā neitrāla vai atjaunota sekvence var iegūt jaunu funkciju (neofunkcionalizācija) vai atgūt regulatīvu lomu.
• Regulācija: transkribēti pseidogēni var regulēt to funkcionālo gēnu ekspresiju, ietekmēt miRNA darbību vai piedalīties cis- un trans-regulācijā.
• Gēnu konversija un homogenizācija: pseidogēni var mijiedarboties ar saistītajiem funkcionālajiem gēniem, ietekmējot sekvenču saglabāšanos vai variāciju.

Tomēr joprojām bieži pseidogēnus dēvē par genoma materiāla pēdējo pieturas vietu, kas no evolūcijas viedokļa nav obligāts. Kā teikts iepriekš, pseidogēni savās sekvencēs satur aizraujošu bioloģisko un evolūcijas vēsturi, jo tiem ir kopīga izcelsme ar funkcionāliem gēniem.

Pseidogēni kā evolūcijas pierādījums

Līdzīgi kā Darvins norādīja, ka sugām ir kopīgi priekšteči, kam seko miljoniem gadu ilga evolūcijas atšķirība (sk. sugu veidošanos), arī pseidogēnam un ar to saistītajam funkcionālajam gēnam ir kopīgi priekšteči, un miljoniem gadu laikā tie ir atšķīrušies kā atsevišķas ģenētiskas vienības. Pseidogēnu veidošanās un saglabāšanās var sniegt papildu pierādījumus par gēnu kopīgumu un evolūcijas trajektorijām sugām vai populācijām.

Kā pseidogēnus identificē un pēta

Pseidogēnus atpazīst, izmantojot salīdzināšanas ģenētiku un molekulāro bioloģiju:

• sekvenču homoloģija ar zināmiem funkcionāliem gēniem;
• ORB (open reading frame) pārtraukumi, priekšlaicīgi stopkodoni, rāmja nobīdes;
• intronu–eksonu struktūras salīdzināšana (nodala processed no unprocessed pseidogēniem);
• transkripcijas datu (RNA‑seq) analīze, lai noteiktu, vai pseidogēns tiek transkribēts;
• komparatīvā genomika — konstatējot, vai atbilstošs gēns ir funkcionāls citās sugās.

Piemēri un prakse

Dažās sugās ir sevišķi daudz pseidogēnu noteiktām gēnu grupām. Piemēram, cilvēkiem ir daudzi olfaktorālo receptoru pseidogēni, kas liecina par maņu sistēmas izmaiņām evolūcijas gaitā. Cits plaši pazīstams piemērs ir GULO gēns, kas cilvēkiem ir pseidogēns — tas paskaidro, kāpēc cilvēki nevar sintezēt C vitamīnu un šo vielu nepieciešams uzņemt uzturā.

Noslēgums

Ikdienā pseidogēni reizēm tiek ignorēti kā „neizmantojams” genoma materiāls, taču tie sniedz vērtīgu informāciju par gēnu vēsturi, evolūcijas procesiem un genoma funkcionālo dinamiku. Pētījumi par pseidogēniem turpina atklāt to dažādās lomas — no molekulāriem liecības fragmentiem līdz potenciāliem regulācijai nozīmīgiem elementiem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir pseidogēni?

J: Kad radās termins "pseidogēni"?

J: Kā rodas pseidogēni?

Vai pseidogēnu DNS ir funkcionāla?

J: Kāpēc pseidogēnus bieži vien apzīmē kā nelietderīgu DNS?

J: Vai pseidogēniem ir kādas gēniem līdzīgas iezīmes?

J: Kāda bioloģiskā un evolūcijas vēsture ir pseidogēniem?

Meklēt pēc burta