Псевдогени: дефиниция, произход и еволюционна роля в генома

Псевдогени: как възникват, защо губят функцията и как влияят върху еволюцията и регулацията на генома — открийте произхода, ролята и биологичните им тайни.

Псевдогените са гени, които са загубили своята функция. Те са загубили генната си експресия в клетката или способността си да кодират протеин. Терминът е въведен през 1977 г. В практиката този термин обхваща различни ДНК последователности, които запазват някои признаци на гени (като сходство в последователността) но не функционират като класически кодиращи гени.

Произход и видове псевдогени

Псевдогените могат да възникнат по няколко различни пътя, често свързани с грешки в репликацията, мутации или геномни процеси:

• Обработени (processed) псевдогени: възникват чрез ретротранспозиция — обратно транскрибирана мРНК се вмъква обратно в генома. Такива псевдогени обикновено нямат интрони, често запазват остатък от поли(А) опашка и могат да имат целеви регионални дупликации на сайта на вмъкване.
• Необработени/дублирани (duplicated или unprocessed) псевдогени: произлизат от генетични дубликации на функционален ген, след което копието натрупва мутации, които го правят нефункционално. Тези псевдогени обикновено запазват структурата на оригиналния ген, включително интрони.
• Унитарни (unitary) псевдогени: възникват, когато единственото копие на функционален ген в даден вид се експонира на натрупващи се инактивиращи мутации (без предшестваща дубликация). Такива псевдогени нямат близък функционален паралог в същия геном.

Механизми на псевдогенезата

Някои типични механизми, които превръщат ген в псевдоген, включват:

• точкови мутации, водещи до преждевременни стоп кодони (nonsense мутации);
• рамкови измествания (frameshift) вследствие на делеции/инсерции;
• големи делеции, които премахват важни екзони или промотори;
• мутации в регулаторните елементи (промотори, енхансери), които спират експресията;
• ретро-транспозиция, която създава копие без регулаторни елементи и интрони, често нефункционално.

Възможни функции на "ненужната" ДНК

Въпреки че често се смятат за неактивни, псевдогените могат да имат биологична роля:

• части от тях се транскрибират в нефункционални или регулаторни РНК, които могат да влияят на експресията на други гени (напр. чрез механизми като competing endogenous RNA — ceRNA);
• псевдогенните трансцепти могат да служат като източник на малки РНК (siRNA, piRNA), които регулират генна активност;
• некодиращата ДНК на псевдогени може да има регулаторна функция като елемент за свързване на транскрипционни фактори или като част от хроматинова структура;
• псевдогените са резерв от последователности, които при ретромутации или други промени понякога могат да бъдат реактивирани и да придобият нови функции (нео-функционализация).

Примерно, някои добре проучени псевдогени (като PTENP1) влияят върху нивата и регулацията на техните свързани функционални гени чрез механизми на РНК-медиирана регулация.

Еволюционна роля и значение

Псевдогените съдържат интересни биологични и еволюционни истории в своите последователности. Това се дължи на споделеното родословие на псевдогена с функционален ген. По същия начин, по който Дарвин е смятал, че два вида имат общ предшественик, последван от милиони години еволюционно разминаване (вж. видообразуване), псевдогенът и свързаният с него функционален ген също имат общ предшественик и са се разминали като отделни генетични единици в продължение на милиони години.

Като „молекулярни вкаменелости“, псевдогените предоставят информация за историята на генома: кога е станала дубликация, кои участъци са били под селекция, какви мутации са се натрупали и др. Проучванията на псевдогените помагат да се проследят темповете на неутрална еволюция и да се реконструират филогенетични отношения между видове.

Идентификация и изследване

Научният екипи използват комбинация от методи за да разпознаят псевдогени:

• компютърно сравнение на последователности (homology) с известни функционални гени;
• намиране на преждевременни стоп кодони, рамкови измествания или липсващи важни домени;
• отсъствие на интрони и наличието на поли(А) опашки като признаци за обработени псевдогени;
• изследване на транскриптомни данни (RNA-seq) за наличие или липса на транскрипция;
• използване на сравнителна геномика и синеция (synteny) за да се определи дали дадена последователност е унаследена от общ прародител.

Псевдогени и човешко здраве

Псевдогените могат да имат медицинско значение: някои псевдогени влияят на експресията на онкогени или тумор-супресори чрез регулаторни механизми, а в други случаи псевдогените създават молекулярни фалшиви идентичности при диагностика (поради сходство с функционални гени). Изучаването им помага да се разберат генетични причини за заболявания и да се избегнат погрешни резултати при генетично тестуване.

Заключение

Псевдогените не са просто „боклук“ в генома — те са свидетелство за минали генетични събития, източник на разнообразие и понякога активни регулатори на генната експресия. Разбирането на техния произход, структура и потенциални функции продължава да разширява нашето знание за еволюцията и организацията на геномите.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват псевдогените?

В: Кога е създаден терминът "псевдогени"?

В: Как се получават псевдогените?

В: Функционална ли е ДНК на псевдогените?

В: Защо псевдогените често са наричани "боклукчийска ДНК"?

В: Имат ли псевдогените някакви характеристики, подобни на гените?

В: Каква биологична и еволюционна история съдържат псевдогените?

Търсене по буква