유전자 중복에 의한 진화

Evolution by gene duplication

유전자 중복에 의한 진화는 유전자나 유전자의 일부가 서로 구별할 수 없는 두 개의 동일한 복사본을 가질 수 있는 사건이다.이러한 현상은 분자 활동의 확대된 레퍼토리를 제공하면서 진화에 있어서 새로운 것의 중요한 원천으로 이해되고 있다.복제의 근본적인 돌연변이는 염색체 내에서 일반적인 유전자 복제 돌연변이일 수도 있고, 전체 염색체(유전자) 또는 전체 게놈(폴리플로이드)과 관련된 더 큰 규모의 사건일 수도 있다.오노 모델로 알려진 [1]Susumu Ohno 때문에 그는 복제가 어떻게 중복성을 생성하는지 설명하며, 중복 복사는 혁신을 위한 연료를 제공하는 유익한 돌연변이를 축적한다.[2]유전자 복제에 의한 진화에 대한 지식은 새로운 유전자 데이터, 보다 강력한 비교 추론 방법, 새로운 진화 모델 등으로 인해 지난 15년 동안 더욱 빠르게 발전해 왔다.

이론적 모델

유전자의 새로운 세포 기능과 인코딩된 단백질 제품이 어떻게 중복과 분리의 메커니즘을 통해 진화하는지 설명하려는 여러 모델이 존재한다.각 모델은 진화 과정의 특정 측면을 설명할 수 있지만, 각 측면의 상대적 중요성은 여전히 불분명하다.이 페이지는 문헌에서 현재 논의되고 있는 이론적 모델만 제시한다.이 주제에 대한 검토 기사는 하단에서 찾을 수 있다.

다음에, 유전자 복제의 단기 효과(보존)에 대한 설명과 장기적 결과 사이에 구별이 이루어진다.

유전자 중복 보존

유전자 중복은 단세포 유기체나 다세포 유기체의 세균 세포에서 한 세포에서만 발생하므로, 그 매개체(즉, 유기체)는 대개 중복을 운반하지 않는 다른 유기체와 경쟁해야 한다.만약 그 복제가 유기체의 정상적인 기능을 방해한다면, 유기체는 경쟁자들에 비해 생식 성공이 감소하고 (또는 낮은 체력) 빠르게 소멸될 것이다.복제가 건강에 영향을 미치지 않는 경우, 모집단의 일정 비율로 유지될 수 있다.어떤 경우에는 특정 유전자의 복제가 즉시 유익할 수 있으며, 이를 통해 운송업자에게 피트니스 이점을 제공할 수 있다.

복용량 효과 또는 유전자 증폭

유전자의 이른바 '도전'은 mRNA 증상의 양과 그 후에 유전자에서 생성되는 번역된 단백질 분자의 양을 시간 당, 세포 당을 가리킨다.유전자 생성물의 양이 최적 수준 이하일 경우 투여량을 늘릴 수 있는 돌연변이는 촉진자 돌연변이에 의한 유전자 발현 증가와 유전자 복제에[citation needed] 의한 유전자 복사 수 증가 등 두 종류가 있다.

한 세포가 게놈에 가지고 있는 같은 (복제된) 유전자의 복사본이 많을수록, 동시에 더 많은 유전자 생산물을 생산할 수 있다.유전자 발현을 자동으로 하향 조절하는 규제 피드백 루프가 존재하지 않는다고 가정할 때, 유전자 제품(또는 유전자 용량)의 양은 일부 상한에 도달하거나 충분한 유전자 제품을 사용할 수 있을 때까지 각각의 추가 유전자 복사본에 따라 증가할 것이다.

게다가, 복용량 증가에 대한 양성 선택 하에, 복제 유전자는 즉시 유리할 수 있고 모집단에서 빈도가 빠르게 증가할 수 있다.이 경우 복제품을 보존(또는 보존)하기 위해 더 이상의 돌연변이가 필요하지 않을 것이다.그러나 나중에 이러한 돌연변이가 여전히 일어나 다른 기능을 가진 유전자로 이어질 수 있다(아래 참조).

복제 후의 유전자 투여량 영향도 세포에 해로울 수 있으며 따라서 복제가 반대 방향으로 선택될 수 있다.예를 들어, 세포 내의 대사 네트워크가 특정 유전자 생산물의 일정량만을 견딜 수 있도록 미세 조정될 때, 유전자 복제는 이러한 균형을[citation needed] 상쇄할 것이다.

활동 감소 돌연변이

즉각적인 피트니스 효과가 없는 유전자 중복의 경우, 예를 들어 두 복사본이 이 기능을 완전히 억제하지 않고 인코딩된 단백질의 기능 효율을 감소시키는 돌연변이를 누적한다면, 복제 사본의 보존은 여전히 가능할 수 있다.그러한 경우, 분자 함수(예: 단백질/엔자임 활동)는 적어도 복제 전에 이용할 수 있는 확장(현재 하나의 유전자 로쿠스 대신 두 개의 유전자 로키에서 발현된 단백질에 의해 제공됨)까지 세포에 여전히 사용할 수 있을 것이다.그러나, 활동이 줄어든 유전자의 한 복사본은 거의 확실히 복제[citation needed] 전에 사용 가능한 활동 아래에 있을 것이기 때문에, 한 개의 유전자 복사본의 우발적인 손실은 해로운 것일 수 있다.

중복유전자의 장기운명

만약 유전자 복제가 보존된다면, 가장 가능성이 높은 운명은 하나의 복제 유전자 복제에서 무작위적인 돌연변이가 결국 그 유전자를 비기능적인 상태로 만들 것이라는 것이다.[3]검출 가능한 염기서열 동질학을 가진 이러한 비기능적 유전자의 잔재는 게놈에서 여전히 발견될 수 있으며, 가성질이라고 불린다.

중복 유전자들 사이의 기능적 차이도 또 다른 가능한 운명이다.다양성으로 이어지는 메커니즘을 설명하려는 몇 가지 이론적 모델이 있다.

신오작성

신오작성화라는 용어는 포스 외 1999년에 처음 만들어졌지만,[4] 오노 1970이 제안한 일반적인 메커니즘을 가리킨다.[1]네오포작성의 장기적인 결과는 한 복사본이 유전자의 원래 (복제 전) 기능을 유지하는 반면, 두 번째 복사본은 구별되는 기능을 획득한다는 것이다.MDN 모델인 "비기능 중의 교화"로도 알려져 있다.이 모델에 대한 주요 비판은 돌연변이의 무작위 축적으로 인한 유전자의 모든 기능성의 상실, 즉 비기능화의 높은 가능성이다.[5][6]

IAD 모델

IAD는 '혁신, 증폭, 발산'을 의미하며 기존 기능을 보존하면서 새로운 유전자 기능의 진화를 설명하는 것을 목적으로 한다.[5]혁신, 즉 새로운 분자함수의 확립은 유전자와 단백질의 측면 활동을 통해 일어날 수 있으며 이를 효소 문란이라고 한다.[7]예를 들어, 효소는 보통 하나의 반응만을 촉매하기 위해 최적화되어 있음에도 불구하고, 때때로 한 반응 이상의 촉매작용을 할 수 있다.그러한 난독성 단백질 함수는 숙주 유기체에 이점을 제공한다면 유전자의 추가 복제와 함께 증폭될 수 있다.이러한 급속한 증폭은 빠른 복제가 가능한 작은 비염색체 DNA 분자(플라스미드라고 함)에 특정 유전자를 실어 나르는 박테리아에서 가장 잘 알려져 있다.그러한 플라스미드에 있는 어떤 유전자도 복제되고 추가적인 복제품들은 인코딩된 단백질의 발현을 증폭시키며, 그것과 함께 어떤 문란한 기능도 가지고 있다.그러한 복제품이 몇 개 만들어지고, 또한 박테리아 세포의 후손으로 전달된 후, 이 복제품들 중 몇 개는 돌연변이를 축적할 수 있으며, 결국 부작용은 주요 활동이 될 것이다.

IAD 모델은 이중 기능을 가진 박테리아 효소를 출발점으로 삼아 실험실에서 이전에 실험한 바 있다.이 효소는 원래 기능뿐만 아니라 다른 효소에 의해 수행될 수 있는 측면 기능도 촉매로 할 수 있다.이 효소를 가진 박테리아가 선택하에 진화할 수 있도록 하여 여러 세대에 걸쳐 양쪽 활동(원래와 측면)을 모두 개선시킴으로써, 활동이 빈약한 한 조상의 분기 유전자가 유전자 증폭에 의해 먼저 진화하여 그 빈약한 효소의 발현을 증가시켰으며, 이후 더 많은 유익한 돌연변이를 축적하는 것으로 나타났다.다음 세대에 전달할 수 있는 활동 중 하나 또는 둘 모두를 개선한 것(전위)[2]

부기능화

"Subfunctionalization"[4]은 1999년 포스 외 에 의해 처음 만들어졌다.이 모델은 조상(복제 전) 유전자가 여러 가지 기능(하위 기능)을 갖도록 하는데, 후손(복제 후) 유전자는 이를 보완적으로 특화한다.이제 하위 기능화로 라벨이 붙여진 최소한 두 가지 다른 모델인 "DDC"와 "EAC"가 있다.

DDC 모델

DDC는 "복제-degeneration-completion"을 의미한다.이 모델은 1999년 포스 외 에 의해 처음 도입되었다.[4]첫 번째 단계는 유전자 복제다.유전자 중복은 그 자체로 유리하지도 않고 유해하지도 않기 때문에 중복을 지니고 있지 않은 개인의 인구 내에서 낮은 빈도로 유지될 것이다.DDC에 따르면, 이 중립 표류 기간은 결국 두 개의 유전자 사본에 분산된 하위 기능의 보완적 보존으로 이어질 수 있다.이것은 두 복제품에서 모두 활동을 줄이고(퇴행적) 변이를 오랜 기간 동안 그리고 많은 세대에 걸쳐 축적함으로써 발생한다.두 개의 돌연변이 유전자를 종합하면 (중복 전) 조상 유전자와 동일한 기능을 제공한다.하지만, 만약 유전자들 중 하나가 제거된다면, 나머지 유전자들은 완전한 기능을 제공할 수 없을 것이고 숙주 세포는 몇몇 해로운 결과를 겪을 것이다.따라서 이 과정의 후반 단계에서는 유전자 복제에 의해 발생한 두 개의 유전자 복제품 중 어느 것도 제거하지 못하도록 하는 강한 선택 압력이 있다.복제는 숙주 세포나 유기체의 게놈에 영구적으로 확립된다.

EAC 모델

EAC는 "적응적 충돌에서 탈출"을 의미한다.이 이름은 Hitker와 Carroll 2007의 출판물에 처음 등장했다.[8]EAC 모델에 의해 기술된 진화 과정은 실제로 유전자 복제 사건 이전에 시작된다.싱글톤(복제되지 않은) 유전자는 동시에 두 가지 유익한 기능을 향해 진화한다.이것은 각각의 개별 기능을 최대 효율로 실행할 가능성이 낮기 때문에 유전자에 대해 "적응적 충돌"을 일으킨다.중간 진화 결과는 다기능 유전자가 될 수 있고 유전자가 복제된 후 그 하위 기능을 유전자의 전문화된 후손에 의해 수행할 수 있다.최종 결과는 기능적으로 전문화된 두 개의 유전자(파라로그)인 DDC 모델과 동일할 것이다.DDC 모델과 대조적으로 EAC 모델은 진화하는 유전자의 다기능 사전복제 상태를 더욱 강조하고, 중복되는 다기능 유전자가 복제 후 추가 특수화의 혜택을 받는 이유에 대해 약간 다른 설명을 한다(다기능 조상의 적응적 갈등으로 인해).또는 해결이 필요한 경우).EAC에서는 유전자 복제 후 진화를 주도하는 양의 선택 압력에 대한 가정이 있는 반면, DDC 모델은 중성("간접") 진화를 수행하는데만 필요한 반면, 즉 퇴화와 보완은 필요하다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b Susumu Ohno (1970). Evolution by gene duplication. Springer-Verlag. ISBN 0-04-575015-7.
  2. ^ a b 안데르손 DI, Jerlstöm-Hultqvist J, Nésvall J. 새로운 기능의 진화 노보 및 기존 유전자에서 유래.생물학의 차가운 봄 항구의 관점.2015년 6월 1;7(6):a017996.
  3. ^ Lynch, M; et al. (2000). "The evolutionary fate and consequences of duplicate genes". Science. 290 (5494): 1151–2254. Bibcode:2000Sci...290.1151L. doi:10.1126/science.290.5494.1151. PMID 11073452.
  4. ^ a b c Force, A.; et al. (1999). "Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations". Genetics. 151 (4): 1531–1545. doi:10.1093/genetics/151.4.1531. PMC 1460548. PMID 10101175.
  5. ^ a b Bergthorsson U, Andersson DI, Roth JR (2007). "Ohno's dilemma: Evolution of new genes under continuous selection". PNAS. 104 (43): 17004–17009. Bibcode:2007PNAS..10417004B. doi:10.1073/pnas.0707158104. PMC 2040452. PMID 17942681.
  6. ^ Grauer, Dan; Li, Wen-Hsuing (2000). Fundamentals of molecular evolution. Sunderland, MA: Sinauer. pp. 282–283. ISBN 0-87893-266-6.
  7. ^ 버그토르손 U, 안데르손 DI, 로스 JR.오노의 딜레마: 지속적인 선택하에 새로운 유전자의 진화.국립과학원의 의사진행.2007년 10월 23일;104(43):17004-9.
  8. ^ Hittinger CT, Carroll SB (2007). "Gene duplication and the adaptive evolution of a classic genetic switch". Nature. 449 (7163): 677–81. Bibcode:2007Natur.449..677H. doi:10.1038/nature06151. PMID 17928853. S2CID 4418250.