Kas yra pseudogenai: apibrėžimas, kilmė ir vaidmuo genomo evoliucijoje

Pseudogenai: apibrėžimas, kilmė ir jų vaidmuo genomo evoliucijoje — supraskite biologinę reikšmę ir evoliucinę istoriją.

Pseudogenai - tai genai, praradę savo funkciją. Jie prarado genų raišką ląstelėje arba gebėjimą koduoti baltymą. Šis terminas buvo sukurtas 1977 m., ir nuo tada pseudogenai tapo svarbiu genomo evoliucijos ir funkcionalios genomikos tyrimų objektu.

Kilmė ir atsiradimo mechanizmai

Pseudogenai gali atsirasti dėl įvairių mechanizmų. Dažniausios priežastys:

• Genų dublikacija: kopija susidaro per geno dubliavimą, o vėliau viena kopija kaupia neįgalinančias mutacijas ir praranda funkciją.
• Retrotranspozicija (procesuoti pseudogenai): geno RNR atgal įterpiama į genomą kaip DNR kopija, kuri dažnai neturi intronų ir promotorių, todėl gali būti nefunkcinė.
• Unitiniai (unitary) pseudogenai: kai funkcionalus originalus genas pačios linijos metu inaktyvuojamas ir nėra dubliavimo kopijų, tad lieka tik nefunkcionalus variantas.
• Specifinės nukleotidų mutacijos: stop kodonai, rėmų poslinkiai (frameshift), didelės delecijos ar insercijos, kurios nutraukia baltymo sintezę arba RNR sintezę.

Tipai ir struktūrinės savybės

Dauguma pseudogenų turi į genus panašių savybių, bet turi aiškių požymių, rodančių nefunkcionalumą:

• įvykę stop kodonai arba rėmų poslinkiai, trukdantys normaliai atkurti baltymo seką;
• trūkstami promotoriai arba kiti reguliaciniai elementai, dėl kurių nėra genų raiškos;
• procesuotų (retrotranspozuotų) pseudogenų atveju – intronų nebuvimas ir kartais poliA pėdsakai;
• konservuotumo sumažėjimas, palyginti su funkciniu protėviu.

Ar pseudogenai yra „nereikalinga DNR“?

Paprastai anksčiau manyta, kad pseudogenai yra genominė „šiukšlė“ — paskutinė medžiaga, kuri išlieka iki pašalinimo. Tačiau šis požiūris yra supaprastintas. Nors daug pseudogenų iš tiesų neturi tiesioginės baltymo kodavimo funkcijos, daugelis jų nėra visiškai bejėgiai: jie gali išlikti, keistis ir įtakoti genomo funkcionavimą per įvairias mechanizmus.

Funkcinės rolės ir biologinė reikšmė

Nors pseudogenų DNR neretai nekoduoja baltymų, kai kurie pseudogenai gali būti funkcionalūs. Jų sekos gali būti panašios į kitų rūšių nekoduojančią DNR, kuri atlieka reguliuojamąjį vaidmenį. Konkrečios funkcijos ir reikšmės:

• Reguliacija per RNR: kai kurie pseudogenai transkribuojami į RNR, kuri gali veikti kaip mikroRNR „sugėrėjai“ (ceRNA) arba konkuruoti su pagrindiniu genu dėl reguliacinių veiksnių, paveikdami baltymo lygį (pvz., gerai ištirtas PTENP1 pseudogenas reguliuoja PTEN ekspresiją).
• Šablonas genų konversijai: pseudogenai gali būti šaltinis genų konversijai ir rekombinacijai, kas kartais grąžina mutacijas į funkcionalias kopijas arba jas modifikuoja.
• Evoliucinė „fosilija“: pseudogenų sekos saugo informaciją apie genų protėvius ir pokyčius, todėl jos naudojamos filogenetiniuose ir evoliucijos tyrimuose.
• Retas „resuscitacijos“ reiškinys: labai retais atvejais pseudogenas gali atgauti funkciją arba tapti nauju genu (pvz., per papildomą mutacijų sumą ar genų fuziją).

Identifikavimas ir tyrimo metodai

Pseudogenai nustatomi derinant sekančių duomenis:

• sekinio panašumas su žinomais funkciniais genais (homologiškumas);
• neįgalinančių mutacijų, stop kodonų ir rėmų poslinkių aptikimas;
• ekspresijos duomenys – ar yra transkripcijos įrodymai;
• struktūriniai požymiai (pvz., intronų nebuvimas procesuotų pseudogenų atveju);
• konservavimo analizė ir filogenetinė vieta lyginant su artimomis rūšimis.

Taip pat bioinformatiniai metodai ir anotacijos duomenų bazės padeda atskirti tikrus pseudogenus nuo dar nenustatytų funkcinės reikšmės elementų.

Evoliucinė svarba

Pseudogenų sekos turi įdomią biologinę ir evoliucinę istoriją, nes pseudogenas turi bendrus protėvius su funkciniu genu. Panašiai kaip Darvinas manė, kad dvi rūšys turi bendrus protėvius, po kurių sekė milijonai metų evoliucinio išsiskyrimo (žr. "Speciacija"), taip ir pseudogenas ir su juo susijęs funkcinis genas turi bendrus protėvius ir per milijonus metų išsiskyrė kaip atskiri genetiniai vienetai. Tyrinėjant pseudogenus, mokslininkai gali rekonstruoti geno pokyčius per laiko skalę ir suprasti, kaip keitėsi genomo struktūra bei funkcijos.

Pseudogenai žmogaus genome ir tyrimų reikšmė

Žmogaus genome yra tūkstančiai pseudogenų, o jų įvairovė ir gausa skiriasi tarp genomų regionų ir rūšių. Studijuodami pseudogenus, mokslininkai geriau supranta genų evoliuciją, molekulinės ligos mechanizmus (kai kurių ligų atvejais pseudogenų rekombinacija ar ekspresijos pokytis gali turėti reikšmės) bei reguliacinius tinklus, valdančius genų raišką.

Išvados

Pseudogenai nėra paprasta „junk“ arba nereikalinga genomo dalis — tai dinamiški evoliuciniai objektai. Jie gali būti nebenaudingi kaip baltymų šablonai, tačiau dažnai turi netiesioginę reguliacinę ar evoliucinę reikšmę. Dėl šios priežasties pseudogenai yra aktyviai tiriami ir turi svarbią vietą genomikos bei evoliucijos moksluose.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra pseudogenai?

K.: Kada atsirado terminas "pseudogenai"?

K: Kaip atsiranda pseudogenai?

Klausimas: Ar pseudogenų DNR yra funkcionali?

K: Kodėl pseudogenai dažnai vadinami šiukšline DNR?

K: Ar pseudogenai turi kokių nors į genus panašių savybių?

K: Kokią biologinę ir evoliucinę istoriją turi pseudogenai?

Paieška pagal raidę