Эволюция и структурное расхождение дуплицированных генов
Дублирование генов — движущая сила эволюции организмов. Если дубликаты генов сохраняются, они расходятся как в регуляторных, так и в кодирующих областях генома. Расхождение в кодирующих областях может быть вызвано заменой нуклеотидов или структурными изменениями в организации экзон-интрон.
Учёные из Института ботаники Китайской академии наук исследовали эти структурные расхождения в эволюции дуплицированных и недуплицированных генов. Они обнаружили, что такие расхождения очень распространены в эволюции дуплицированных генов и происходят по трём основным причинам:
Приобретение/потеря экзонов или интронов
Экзонизация/псевдоэкзонизация (превращение интронной или межгенной последовательности в экзонную, или наоборот)
Вставки/делеции
Каждый механизм вносит разный вклад в структурное расхождение. Учёные пришли к выводу, что структурные расхождения играют более важную роль в эволюции дуплицированных генов, чем недуплицированных.
Методология исследования
Исследование под руководством профессора Хунчжи Конга столкнулось с тремя основными проблемами:
- Идентификация подходящих генов-дубликатов. Для сравнения использовались только наиболее близкородственные дубликаты — сиблинговые паралоги, — так как их эволюционная история относительно коротка и прослеживаема.
- Создание точного выравнивания для каждой пары генов, на основе которого определялись механизмы структурного расхождения. Работа велась на модельных растениях с наиболее качественной аннотацией геномов — Arabidopsis и рисе, с фокусом на семь хорошо изученных генов.
- Расчёт генетических расстояний между генами, особенно когда структурные изменения вызывали сдвиг рамки считывания. Для анализа использовались только регионы с уверенно определяемой гомологией.
Для минимизации ошибок учёные также учитывали альтернативный сплайсинг, сравнивая только те транскрипционные формы паралогов, которые имели одинаковый выбор сайтов сплайсинга и максимальное сходство.
Значение и последствия исследования
Профессор Конг отметил, что работа его группы впервые рассматривает общие закономерности структурного расхождения в эволюции генов. Вывод о большей роли таких расхождений у дуплицированных генов помогает понять, почему дупликация генов так сильно способствовала приобретению новых физиологических и морфологических признаков.
Исследование окажет влияние в трёх ключевых областях:
- Подчёркивает важность структурного расхождения и может стимулировать более широкие исследования его свойств.
- Указывает на возможные дефекты исследований, в которых сравниваются только последовательности EST, CDS или белков. Для надёжного выравнивания генов необходимо учитывать их геномные последовательности и организацию экзон-интрон.
- Стимулирует переосмысление некоторых широко используемых определений, таких как границы между альтернативным сплайсингом и экзонизацией или между приобретением экзона/интрона и перемешиванием экзонов.
Дальнейшие шаги
Команда планирует развивать исследование в двух направлениях:
- Изучение распространённости и механизмов структурного расхождения у представительных животных (человек, плодовая мушка) и дрожжей, чтобы выяснить, одинакова ли их роль в других эукариотических линиях.
- Исследование других свойств структурного расхождения: расчёт частоты каждого механизма, роль естественного отбора, а также функциональные исследования того, как изменения в структуре экзон-интрон способствуют фенотипической эволюции.
Работа остаётся крайне трудоёмкой, так как многие этапы требуют ручной проверки. Учёные сотрудничают с разработчиками для создания и улучшения автоматических инструментов анализа.