1.Появленіе нових генів з дупліціроваться предкової білок-кодують генів і генів кодують РНК
Для початку розглядається добре відома схема, що включає:
1) дуплікацію якогось вже існуючого гена, а потім 2) поступове мутаційні перетворення цього гена або обох, яке може, при щасливому збігу обставин, привести до появи у цього гена (генів) нової функції. Дуплікація може бути наслідком а) нерівного кросинговеру при мейозі (Дуплікація хромосомних сегментів); б) поліплоїдизації генома (кратне збільшення повного набору хромосом; в) вставки в геном фрагментів ДНК, які вийшли в результаті зворотної транскрипції з власних РНК копій вихідного гена (освіта ретрокопій / ретрогенія).
Середня частота дуплікацій хромосомних сегментів у еукаріот оцінюється діапазоном 0,01-0,001 на ген в 1 мільйон років. Але в реальності такі події є частими для незначного числа генів (1,6-3% генів) - і це все гени, що відповідають за формування адаптацій до мінливих умов середовища (наприклад, гени імунної системи); в той час, як для іншої частини генів це вкрай рідкісна подія. Цікаво, що в лінії людиноподібних мавп і гомінідів такі дуплікації зустрічаються частіше в порівнянні з іншими приматами.
Частота освіти ретрокопій генів набагато нижче, ніж дуплікацій хромосомних сегментів. У ссавців, комах і рослин зустрічається частіше, у птахів рідше (і у них немає ретротранспозонов!). У людини в геномі є тисячі ретрокопій, з них сотні - функціональні гени.
Після появи двох копій гена можливі ситуації: а) коли старий ген зберігає свою функцію, а новий набуває нову функцію, або б) коли обидва гени, що виконують початково кілька функцій відразу, поділяють обов'язки між собою і спеціалізуються у виконанні окремих функцій; в) коли обидва гени зберігають свою функцію, а через подвоєння гена підвищується кількість синтезованого продукту (РНК і білка); г) коли друга копія виявляється нефункціональної і втрачається з часом.
2.Откуда беруться промотори для копій генів, утворених за механізмом «зворотна транскрипція-вставка в геном» (ретрогенія)
Виявляється цілих 6 варіантів:
1) Ген може випадково вставитися поруч з GC-багатої областю, яка починає працювати як промотор.
2) Поступове придбання промоторной активності у прилеглій області завдяки накопиченню точкових мутацій за підтримки позитивного відбору.
3) промоторних активність може проявляти область ретротранспозону, за яким відбулася вставка гена в геном (бо вставки якраз найчастіше в такі місця з ретротранспозонов і відбуваються).
4) Транскрипція з альтернативних промоторів, що містяться всередині копірованного гена.
5) Вставка ретрогена всередину кодує області якогось іншого гена поблизу точки початку транскрипції, і транскрипція з його промотора.
6) Якщо ген вставився десь на відстані від промоторной області, то просто з'являється або додаткова дільниця в 5 'нетрансльовані області, або додатковий поліпептид на N-кінці білкового продукту, якщо раніше починається трансляція.
3. Функціональні слідства освіти ретрогенія
Виявляється, ретрогени значно більш схильні купувати нову функцію, ніж гени, дупліціроваться в результаті нерівного кросинговеру. Воно й зрозуміло: інший сегмент генома, отже, інше оточення, інші контури регуляції, інші групи зчеплення ... Мало того, трапляється, що смисловий ланцюгом в ретрогенія стає нитку. комплементарная тієї, що була смисловий в вихідному гені, і тоді утворюється абсолютно новий білок, який виконує абсолютно нову функцію. Як це не дивно…
4. До чого ще може привести ретротранспозіція
При переміщенні ретротранспозонов, типу L1, вони можуть прихопити з собою область хромосоми, що фланкують ретроелемент з 3 'кінця (через пропуск свого сайту термінації транскрипції). Якщо в цій області є ген, то захоплюються, відповідно, деякі його частини (припустимо, область промотора з точкою початку транскрипції), і потрапляють в нові області генома, стимулюючи виникнення нових генів в раніше не кодує області. У ряді випадків може перенестися і цілий ген (якщо він невеликий).
5. Включення шматків интронов в зрілу мРНК завдяки появі нових або зникнення старих сайтів сплайсингу
6. Утворення нових генів шляхом злиття двох старих генів
В такому випадку утворюється ген, що кодує білок, який може виконувати одночасно багато функцій - химерний білок з декількома різними функціональними доменами. Є три шляхи утворення таких генів.
1) Перший -дуплікація якогось гена зі встраиванием дупліціроваться копії в рамку зчитування іншого гена, між його 5 'і 3' кінцями.
7. Виникнення абсолютно нових генів з некодуючих і неповторяющихся областей геному
а) Білок-кодують гени
Тут все визначається двома умовами:
1) повинна бути забезпечена можливість транскрипції, тобто повинна з'явитися область промотора перед майбутнім геном. Як це може статися - вже обговорювалося вище (пункт 2);
2) повинні сформуватися елементи, які забезпечать можливість трансляції з транскрибованої РНК. Тобто сигнали ініціації, термінації трансляції, сигнал поліаденілювання мРНК, сайти сплайсингу.
Тут можна припустити можливість двох шляхів придбання таких елементів: послідовні заміни нуклеотидів, поки не вийде працюючий варіант або знову ж через запозичення від інших генів шляхом дуплікацій-вбудовування або якось ще (як і з областю промотора). У приматів, і у людини, і у дріжджів, і у дрозофіли виявлено досить велике число генів, які навіть частково не схожі ні на які гени їх найближчих предків, тобто генів, сформованих, ймовірно, на основі раніше не кодує ДНК.
Найцікавішим тут є питання про те, як відбувалося включення таких нових генів в генні мережі. Ймовірно, це повинен бути досить довгий шлях з поступовою підгонкою структури гена шляхом послідовних точкових мутацій. Само собою, на початковому етапі зародження життя все перші гени повинні були бути НОВИМИ.
б) Гени кодують (регуляторних) РНК
Таких генів, скажімо, в людському геномі налічують вже сотні для малих некодуючих і тисячі для довгих некодуючих РНК. Довга не кодують РНК мабуть може виникати в результаті втрати деякими дупліціроваться генами елементів, що забезпечують їх ефективну трансляцію. Зокрема, судячи з усього, таким шляхом утворилася Xist РНК, що бере участь в інактивації Х хромосоми. Подібним чином шляхом ретродуплікацій можуть виникати і гени малих не кодують РНК. У статті не йдеться ще про один варіант - коли не кодують РНК утворюється в результаті активації транскрипції ділянки некодирующей (комплементарної) нитки ДНК в області білок-кодує гена.
8. Участь одомашнених геномних паразитів у виникненні нових генів
Частково участь таких елементів - ретротранспозонов - вже було обумовлено: вони служать місцями незаконних рекомбінації, що ведуть до дуплікації, вони поставляють ферменти, що беруть участь в ретродуплікаціях і вони самі можуть набувати функції регуляторних елементів (промоторів, енхансером, сайленсери і ін.).
Але крім того ретрогени можуть включатися в якості екзонів в білок кодують гени і виконувати функції, корисні для клітини. Зокрема, таке явище було показано для трьох генів, що беруть участь у формуванні плаценти, а також для одного з важливих транскрипційних факторів, що регулює експресію тисяч інших генів клеткок ссавців. З колишніх ретротранспозонов також відбуваються деякі гени не кодують довгих і малих регуляторних РНК.
9. Горизонтальний перенос генів
Існує кілька шляхів горизонтального переносу генів (горизонтальний перенос - це значить, що ген які не успадкували від батьків, а отриманий якось інакше від іншого організму, причому організми донора і реципієнта можуть бути одного виду або різних видів, навіть дуже віддалених в еволюційному плані) .
1) У прокаріотів існує механізм кон'югації, коли між двома клітинами-організмами утворюється канал, по якому генетичний матеріал може перетікати з однієї клітини в іншу. Може здатися, що для нас, еукаріот, це не так уже й важливо, як там ці бактерії обмінюються генами. Але якщо згадати про те, що на певному історичному етапі ми всі пройшли через мікробну стадію, то стане зрозуміло, що може бути цього обміну ми повинні бути якраз насамперед вдячні за те, чим ми стали тепер. Адже набагато простіше еволюціонувати, збираючи в собі корисні гени, вже кимось «винайдені» в ході еволюції, ніж «винаходити» все розмаїття необхідних генів самостійно. Не дарма прокаріоти витратили на свою еволюцію 2 мільярди років, поки «винайшли» все, що необхідно. Досить імовірно, що універсальний генетичний код був вироблений саме в процесі «колективної творчості», пов'язаного з активним взаємним горизонтальним обміном.
2) Потужними посередниками горизонтального переносу є геномні паразити типу ретровірусів, які ненавмисно можуть прихопити ділянки хромосом попередніх господарів і переносити до нових.
3) Горизонтальний перенос - нерідке подія в разі вторинний ендосимбіоз (від паразита до господаря і назад), наприклад, від мітохондрій і хлоропластів, - в минулому бактерій-ендосімбіонтов, в ядерний геном еукаріот потрапила велика кількість генів найрізноманітнішого функціонального призначення.
А ще багато запозичених генів від самих різних видів організмів, є у коловерток і інфузорій, хоча механізм перенесення тут залишається невідомим. Схоже на те, що вони якимось чином запозичують гени від тих, ким харчуються.
10. Сперматозоїди - як випробувачі нових генів
