Генни семейства: дефиниция, произход, функции и примери

Семейството гени е набор от няколко сходни гена. Те се появяват чрез дублиране на един оригинален ген. Обикновено те имат сходни биохимични функции. Идеята, че гените се дублират, е почти толкова стара, колкото и науката генетика.

Какво представлява едно семейство гени

Семейството гени включва група гени, които произхождат от общ предшественик и запазват сходство в последователността и/или в структурата на протеините, които кодират. Членовете на едно семейство могат да бъдат подредени в клъстери (напр. един до друг в генома) или да са разпръснати в различни хромозоми. В рамките на такова семейство някои гени запазват първоначалната функция, докато други придобиват нови или частично разделят функциите си.

Произход и механизми на възникване

Генните семейства възникват главно чрез различни типове дублиране:

• Тандемно дублиране: повторение на ген в непосредствена близост до оригинала.
• Сегментно дублиране: дублиране на по-големи геномни участъци, включващи няколко гена.
• Дублиране на целия геном: кръстосване или полиплоидизация, при които цялата геномна информация се умножава (често при растения).

След дублирането възникват няколко възможни съдби на новите копия: функционална излишност (redundancy), подфункционализация (разделяне на първоначалните функции между двете копия) и неофункционализация (едно копие придобива нова функция). Често се наблюдава и образуването на псевдогени — генетични елементи, които са загубили функционалността си вследствие на натрупали се мутации.

Еволюция и модели

Еволюцията на генните семейства често следва т.нар. модел "birth-and-death" — нови гени се раждат чрез дублиране, а други умират, като се превръщат в псевдогени или се изтриват. Мутации и рекомбинация (включително gene conversion) могат да поддържат сходство между членовете на семейството или да ускорят разлика помежду им. Натискът на естествения подбор може да доведе до експанзия на определени семейства (напр. при имунните рецептори) или до стесняване в резултат на стабилизирано функциониране.

Функции и биологично значение

Генните семейства служат за няколко важни биологични цели:

• Функционална издръжливост: колонична излишност намалява риска от загуба на критична функция при мутации.
• Диверсификация на функции: членове на семейството могат да се специализират — напр. активни при различни тъкани или етапи на развитие.
• Адаптация: бързата експанзия и вариабилност на някои семейства (например рецептори за усещане или имунни гени) подпомагат адаптация към променящи се среди и патогени.
• Регулация на експресията: клъстери от гени често споделят регулаторни елементи, което позволява координирана експресия (напр. при развитие).

Примери

Едно такова семейство са гените за човешките хемоглобинови субединици. Десетте гена се намират в два клъстера върху различни хромозоми, наречени α-глобинови и β-глобинови локуси. Смята се, че тези два клъстера от гени са възникнали в резултат на дублиране на предшественик преди около 500 милиона години. В човека различните глобинови гени се експресират в специфични етапи на развитие (ембрионален, фетален, зрял) — пример за подфункционализация и регулаторна специализация. Мутации в тези гени водят до заболявания като таласемии и сично-клетъчна анемия.

Най-голямото семейство гени са гените на обонянието. При бозайниците семейството на обонятелните рецептори съдържа стотици до над хиляда члена, като тяхната бърза еволюция позволява различни видове да имат различни способности за разпознаване на миризми.

Друга важна група са хомеобкс гените. Тези гени (включващи HOX и други хомеобокс семейства) кодират транскрипционни фактори, които контролират развитие и ос на тялото при животните. Разширяването на тези семейства е свързано с еволюционни промени в морфологията.

Гените за имунната система включват няколко фамилии гени. Те кодират големия хистосъвместим комплекс и имуноглобулините. Тол-подобните рецептори са основните сензори за инфекция при бозайниците. Иммунните генни семейства често показват висока степен на полиморфизъм и бърза адаптация в отговор на патогени; някои членове се разширяват при определени линии в резултат на селекция.

Методи за откриване и анализ

Идентификацията на членове на генни семейства се осъществява чрез:

• сравнение на нуклеотидни и белтъчни последователности (BLAST, профилни HMM);
• филогенетичен анализ за разграничаване на ортолози и паралоги (взаимоотношения след сплит на видовете спрямо дублиране в рамките на видовете);
• анализ на експресия (RNA-seq, микрочипове) за проследяване на функционална специализация.

Медицинско и прикладно значение

Разбирането на генните семейства има практическо значение:

• диагностика на генетични заболявания (напр. мутации в глобиновите или имунни гени);
• разработка на лекарства и ваксини чрез насочване към специфични рецептори или сигнални пътища;
• приложения в биотехнологиите — използване на различни членове за синтез на различни протеини или за инженеринг на нови функции.

Кратко обобщение

Генните семейства са основен елемент от архитектурата на генома и играят ключова роля в еволюцията, развитието и адаптацията. Те възникват главно чрез дублиране и могат да следват различни съдби — от запазване на оригиналната функция до придобиване на нови роли. Изучаването им помага да разберем както фундаменталната биология на организмите, така и механизми, водещи до болести и възможности за терапевтични намеси.

Въпроси и отговори

В: Какво е генно семейство?

В: По какво обикновено се различават генните семейства?

В: Какъв е примерът за генно семейство при хората?

В: Как са се появили локусите на α-глобина и β-глобина при хората?

В: Кое е най-голямото семейство гени?

В: Кои са някои други важни генни семейства?

В: Колко стара е идеята, че гените се дублират?

Търсене по буква