I genetikk er genetisk duplisering multiplikasjon av genetisk materiale på et kromosom . Det er flere mekanismer som skyldes duplisering av enten en stor kromosomal del, eller av et gen eller av en nukleotidsekvens . Disse endringene i genomet representerer en viktig motor i evolusjonen av genomer. Fordoblingen av et gen skaper en ekstra kopi frigjort fra seleksjonstrykket , som kan tillate at kopien smelter igjen uten å skade konsekvensene for organismen . Det er en av de viktigste mekanismene for molekylær evolusjon .
Imidlertid er disse endringene i mange tilfeller ansvarlige for genetiske sykdommer på grunn av overflødig genetisk data som fører til problemer under utviklingen. I tillegg kan genamplifisering bidra til veksten av en svulst . For eksempel blir C-myc- onkogenet ofte forsterket i mange svulster .
I løpet av utviklingen har flere eukaryote arter gjennomgått en fullstendig duplisering av genomet. Vi snakker da om paleoploidisme . For eksempel i bakergjær ( Saccharomyces cerevisiae ) dupliseres genomet for 100 millioner år siden. Genomet til mange planter er polyploid . Vi kan sitere hvete som er heksaploid (6 eksemplarer av genomet). Nylig gjorde et fransk-italiensk samarbeid det mulig å sekvensere genomet til vintreet , Vitis vinifera, som avslørte at forfedren til dikotyledone planter gjennomgikk flere hendelser med duplisering av genomet etter divergensen mellom monokotyledone og dikotyledone planter ; den forfedre tosidig-plantede planten må ha vært heksaploid. Hypotesen som ble fremsatt ville være at denne dupliseringen av genomet er opprinnelsen til strålingen av tosidig-plantede planter.
Det er to mekanismer som tillater fullstendig duplisering av et genom:
Kopiering av genomer er sjelden fordi endring av gendosen i et embryo ofte er dødelig . På den annen side er 30 til 80% av plantene polyploid, og eksplosjonen i antall arter i angiospermer korrelerer med fullstendig duplisering av genomet til en forfedres plante. Dette skyldes en større toleranse for endringen i antall kromosomer i angiospermer sammenlignet med dyr. Nyere genomdubliseringer som går tilbake til mindre enn 150 år har blitt identifisert i mange planter som i salsify der arten Tragopogon mirus og Tragopogon miscellus dukket opp for 80 år siden av allotetraploidy. Disse funnene tillater oss å forstå de fenotypiske og genetiske konsekvensene av endringen i ploidi.
Mye bevis samler seg som viser at det har skjedd flere komplette duplikasjoner av genomet under utviklingen av virveldyr . Etter den kambriske eksplosjonen for rundt 450 millioner år siden, fulgte en første duplisering av genomet til en forfader til chordatene, og fulgte omtrent 10 millioner år senere i begynnelsen av Devon-perioden med en annen fullstendig duplisering. Av genomet. På slutten av Devonian fant en tredje genomdublering sted i strålefinnen .
Antakelse 2RDe første estimatene av antall gener hos mennesker har vist at genomet hos virveldyr er mer komplekst enn det hos virvelløse dyr. For å forklare økningen i størrelsen på virvelløse genomer, foreslo Susumu Ohno i 1970 at virveldyrgenomet er resultatet av en eller flere komplette duplikasjoner av genomet. I dag er denne hypotesen kjent som 2R (2 Round) hypotesen fordi den sier at en forfedres virveldyrsart for 450 millioner år siden gjennomgikk to genom-dupliseringshendelser. I løpet av 90-tallet var denne hypotesen ekstremt kontroversiell fordi restene av gendublisering forsvinner med evolusjonen. Imidlertid har denne hypotesen i dag samlet mange genetiske og fylogenetiske bevis. Et av de første argumentene var mangelen på sammenheng mellom de fleste paraloge gener . Faktisk, etter en segmental duplisering, er de dupliserte genene til stede på det samme kromosomet og derfor genetisk knyttet. På den annen side, etter en duplisering av genomet, finnes de dupliserte genene på forskjellige kromosomer. Til slutt kom hovedargumentet til fordel for 2R-hypotesen fra studien av Hox-genkompleksene som følger 4: 1-regelen, dvs. det er ett Hox-kompleks hos virvelløse dyr og fire Hox-komplekser i de fleste virveldyr som ville være resultatet av to genom. dupliseringshendelser.
Paralogon HoxEt Hox-kompleks er en samling av homeotiske gener gruppert sammen på et kromosom som koder for transkripsjonsfaktorer som er avgjørende for etablering av anteroposterioraksen og segmentidentitet hos dyr. De fire Hox-kompleksene hos mennesker er på kromosomene 2, 7, 12 og 17. Nær hvert kompleks er et paraloggen som tilhører familien Dlx , Collagen og / eller ErbB . Dermed tilsvarer Hox paralogon Hox-kompleksene assosiert med paraloggenene som ligger i nærheten av Hox-komplekset. Tilstedeværelsen av flere paraloge gener i nærheten av Hox-kompleksene er et viktig argument for 2R-hypotesen. Fylogenetiske analyser har imidlertid vist at noen paralogene gener og Hox- gener har en annen evolusjonær historie som strider mot 2R-hypotesen. Nylig foreslår en studie at to gjensidige translokasjoner innen Hox-komplekser som oppstår etter den andre komplette dupliseringen av genomet, ville forklare forskjellene i evolusjon i Hox-paralogon.
Antakelse 3RI 1998 ble syv Hox-komplekser identifisert i sebrafisken Danio rerio . Forfatterne av denne studien foreslo at etter de to genomdubleringene som skjedde i et forfedres virveldyr, oppstod en tredje genomdubliseringshendelse spesielt i teleostfisk som resulterte i åtte Hox-komplekser etterfulgt av tap av ett Hox-kompleks.
Antakelse 4RI 2005, en kanadisk lag viste at i atlantisk laks og regnbueørret, som tilhører laksefamilien , det var fjorten Hox komplekser som tyder på en ny duplisering av den spesifikke genomet til laksefisk familien. .
Dupliseringen blir noen ganger beskrevet som en delvis trisomi . Det er to typer duplisering:
Vi kan også skille duplikasjoner:
Mange syndromer skyldes duplisering av et segment av et kromosom, som Beckwith-Wiedemann syndrom eller Charcot-Marie-Tooth sykdom type 1 . Selv om det ofte er skadelig for en organisme, har analyse av genomene til mange arter, og spesielt det menneskelige genomet, avslørt tilstedeværelsen av mange dupliserte regioner.
Sekvensering og analyse av det menneskelige genomet avslørte at store biter av kromosomer var like. 400 kromosomsegmenter under evolusjonen av primater har gjennomgått mange intrakromosomale (mellom identiske kromosomer) og interkromosomale (mellom forskjellige kromosomer) dupliseringshendelser, hvorav noen, som representerer 5% av genomet, er spesifikke for det menneskelige genomet. Disse dupliserte kromosomsegmentene er fortrinnsvis lokalisert nær telomerer og sentromerer. Videre er disse dupliserte områdene følsomme for kromosomale omlegginger og er stedet for brudd i translokasjoner, slettinger eller inversjoner. Imidlertid, selv om skadelige, dupliserte kromosomfragmenter er proporsjonalt mer transkripsjonsaktive enn enkle regioner av primatgenomer. I tillegg har disse gjentatte dupliseringene skapt nye genfamilier som er unike for hominoider.
Kromosom 158,8% av kromosom 15 tilsvarer dupliserte kromosomsegmenter, hvorav 50% er intrakromosomale duplikasjoner. For eksempel i 15q-regionen er en 2920 basepar "kjernesekvens" blitt identifisert. Det gjentas 37 ganger på kromosom 15, to ganger på kromosom Y og en gang på kromosom 2 og 10. Analyse av de forskjellige sekvensene til denne delen av "hjerte" kromosomet har gjort det mulig å rekapitulere historien til denne sekvensen. av hunder og mus inneholder bare en kopi av denne "hjerte" -sekvensen på kromosomet som tilsvarer humant kromosom 2. Dermed ble denne sekvensen kopiert ved retrotransposisjon på kromosom 10, deretter ble et større fragment på 15 kilobaser kopiert på kromosom 15. Dette 15 Kb DNA-segmentet ble deretter duplisert flere ganger på kromosom 15. De to kopiene av den opprinnelige "hjerte" -sekvensen på Y-kromosomet er resultatet av å kopiere en 40 kb sekvens fra kromosom 15. Som nevnt tidligere, er de dupliserte områdene skjøre deler av kromosomet og utsatt for kromosomale omlegginger. Kromosomale slettinger i den dupliserte 15q11-q13-regionen er årsaken til Prader-Willi og Angelman syndromer .
Beckwith-Wiedemann syndromDen Beckwith-Wiedemann syndrom karakteriseres av stor størrelse, macroglossia , og organomegali , og resultere i et stort antall tilfeller av duplisering av det terminale regionen til kromosom 11 fade. Denne kromosomregionen inneholder to gener som er viktige for regulering av vekst; IGF2- og H19- genene . IGF2 er en vekstfaktor som stimulerer celleproliferasjon og H19 koder for ikke-kodende RNA. Uttrykket av disse genene er sterkt regulert av en kompleks mekanisme for foreldreinntrykk . På maternalt kromosom undertrykkes “IGF2” -genet og H19 uttrykkes mens på paternalkromosomet uttrykkes IGF2- genet og H19 undertrykkes. Syndromet skyldes en delvis duplisering av den terminale delen av kromosomet 11. Denne dupliseringen gir en ekstra kopi av IGF2- genet på kromosom 11, noe som fører til en økning i produksjonen av vekstfaktoren IGF2.
Et bestemt gen kan dupliseres under evolusjon. Det er fire hovedmekanismer som tillater duplisering av et gen eller noen få gener:
Kopiering av gener er ekstremt vanlige hendelser. Dermed kan antall gjentakelser av det samme genet variere mellom individer av samme art, og dermed danne en polymorfisme av antall gjentakelser . Økningen i antall gener motveies imidlertid av et tap av gener som også er ganske sterkt, hovedsakelig ved genetisk drift, men også ved motvalg av økningen i proteinkonsentrasjon generert av økningen i antall kodende gener. protein.
Det er fem evolusjonære scenarier som følger etter gent duplisering:
Under evolusjonen av genomer kan gener smelte sammen eller sprekke. En av konsekvensene av subfunksjonalisering av et duplisert gen kan være fisjon av et gen i to forskjellige gener. I tilfelle der det opprinnelige genet koder for et protein med to forskjellige funksjonelle domener betegnet I og II, akkumulerer et av de dupliserte genene mutasjoner (degenerasjon) i regionen som tilsvarer domene II mens det andre genet akkumulerer mutasjoner i regionen som tilsvarer domene I. Dette resulterer i et gen 1 som koder for et protein med domene I og et andre gen som koder for et protein med domene II. Denne genfisjoneringsmekanismen har blitt demonstrert i Drosophila under studiet av Monkey-king-genet.
Reproduktiv isolasjon er en prosess som er viktig for spesiering, fordi den tillater initiering av divergens og vedlikehold av forskjellige arter. Hvis to nært beslektede arter er tilpasset forskjellige miljøer, vil deres hybrider være mindre godt tilpasset disse miljøene: vi snakker om hybrid svakhet . Dette fenomenet kan forklares med Dobzhansky-Muller-modellen for genkompatibilitet utviklet av Theodosius Dobzhansky i 1936 og Herman Joseph Müller i 1942. Gjenoppdagelsen av arbeidet til William Bateson har fått noen forfattere til å snakke om Bateson-Dobzhansky-Muller-modellen. Modellen foreslår at negative epistatiske interaksjoner mellom to loci fører til hybrid svakhet. I 2000 tilpasset Michael Lynch og Allan G. Force genetkompatibilitetsmodellen for genduplisering. De foreslo at etter gent duplisering er gjensidig gentap en faktor som fører til reproduktiv isolasjon. Dermed vil denne modellen forklare sammenhengen mellom hendelser med fullstendig duplisering av genomet og den evolusjonære strålingen av visse phyla. For eksempel har det blitt vist at i forfaren til bakergjær, som gjennomgikk fullstendig genomdublering, favoriserte raskt tap av dupliserte gener fremveksten av mange gjærarter gjennom en mekanisme for genkompatibilitet.
De microRNAs er RNA enkelt-tråd av 21-23 nukleotider lange som regulerer post-transkripsjonelt genekspresjon. I Arabidopsis thaliana- planten er det en klasse av mikroRNA som viser sterk sekvenshomologi med målgenene og som dukket opp nylig under evolusjon. Disse mikroRNAene er resultatet av revers gendublisering.
Tandem duplisering av eksoner tilsvarer intern duplisering av et ekson i samme gen. Denne typen duplisering er en viktig kilde til innovasjon fordi den gjør det mulig å generere nye fs i samme protein. En omfattende analyse av genomene til Homo sapiens , Drosophila melanogaster og ormen Caenorhabditis elegans viste 12291 tilfeller av tandemekson duplisering. Analyse av introniske regioner avdekket også 4660 ikke-karakteriserte dupliserte eksoner. Blant disse potensielle eksonene finnes 35,1% i EST- databaser som bekrefter deres potensielle rolle.
Replikasjonen av disse baseparene er opprinnelsen til mange genetiske sykdommer som Fragile X Syndrome eller Huntingtons Chorea . I bakterien Streptococcus pneumoniae er duplisering av 18 basepar i rplV- genet som koder for det ribosomale proteinet L22, ansvarlig for motstanden mot makrolidet . Denne dupliseringen genererer en duplisering av 6 aminosyrer nær stedet for interaksjonen av makrolidet på 23S- underenheten til ribosomet, og blokkerer dermed interaksjonen mellom antibiotika og ribosomet.
Analyse av de prokaryote genomene avslørte mange paralogene gener . Avhengig av bakteriearten, varierer andelen paralogene gener fra 7% av genomet i Rickettsia conorii til 41% i Streptomyces coelicolor . Ut av de 106 bakteriegenomene som ble sekvensert i 2004, består i gjennomsnitt 25% av det bakterielle genomet av paralogene gener. Det er også en veldig sterk sammenheng mellom størrelsen på bakteriell genom og andelen dupliserte gener.
Det er tre mekanismer for genduplisering i prokaryoter:
I Escherichia coli K12 er 16% av homologe gener xenologe, noe som tyder på at horisontal genoverføring har lav innvirkning på andelen paraloge gener. I gjennomsnitt er 15% av paraloge gener organisert i tandem, noe som tyder på tandem-dupliseringshendelser som kan resultere i operonduplisering .
I prokaryoter er det ikke påvist fullstendig forfedret duplisering av genomet. Imidlertid er noen bakterier polyploid i løpet av et utviklingsstadium som Buchnera aphidicola hvis genomkopienummer varierer avhengig av utviklingsstadiet til verten, det grønne bladluset .
De fleste eukaryote genomer bærer et stort antall funksjonelle dupliserte gener, hvorav et stort flertall ville ha dukket opp for 10 til 100 millioner år siden. Etter massive dupliseringshendelser beholdes rundt 20 til 50% av de dupliserte genene. Denne bevaringen antyder eksistensen av en mekanisme for naturlig seleksjon som vil kompensere for produksjonen av pseudogener . Etter en duplisering kan det være en separasjon av forfedres funksjoner mellom de to kopiene, for eksempel i forskjellige vev (fenomen kjent som underfunksjonalisering ); utseendet til en ny funksjon for en av kopiene (et fenomen kjent som neofunksjonalisering ); hver kopi kan oppleve et tap eller reduksjon i uttrykk for funksjonene ved degenerative mutasjoner.
Utviklingen av bakterielle genomet blir sterkt påvirket av gen-utveksling mellom forskjellige bakteriearter. Faktisk er evolusjonen av metabolske veier i E. coli hovedsakelig resultat av horisontal genutveksling, men gen duplisering synes også å bidra til bakteriell evolusjon. De fortrinnsvis dupliserte gener er involvert i metabolismen av aminosyrer , uorganiske ioner og transkripsjonsregulering . I noen arter har genekspansjon av en generklasse blitt foreslått som en evolusjonær tilpasning. For eksempel kan kompleksiteten til bakterieveggen i mykobakterier forklares med en spesifikk duplisering av denne bakterieslekten av gener som er involvert i metabolismen og transport av lipider .
Bakterier kan tilpasse seg toksisiteten til et antibiotikum takket være et stort batteri med mekanismer som skyldes enten punktmutasjoner eller horisontal genoverføring . De viktigste motstandsmekanismene er:
Tilpasningen av en bakterie til et antibiotikum utføres i to trinn:
Genforsterkninger er ustabile og kan gå tapt i fravær av seleksjonstrykk ved homolog rekombinasjon. Dermed kan de dupliserte gener opprettholdes i bakteriestammer der Rec A- proteinet er mangelfullt. Imidlertid er det mekanismer for tap av dupliserte gener uavhengig av Rec A som ikke er godt forstått.
Genamplifisering på et plasmidTidlig på 1970-tallet gjorde oppdagelsen av R- plasmider som hadde gener for resistens mot antibiotika, det mulig for første gang å demonstrere rollen som genduplisering i fenomenet resistens mot antibiotika. NR1-plasmidet øker i størrelse i Proteus mirabilis i nærvær av lav konsentrasjon av kloramfenikol , streptomycin og sulfonamid . Det forsterkede området av plasmidet kalles determinant-r (r for resistens) og er flankert av direkte gjentagelse IS1 ( Insertion Sekvens 1 ) sekvenser som tillater amplifisering av regionen takket være sekvenshomologier mellom IS1 sekvenser som resulterer i homolog rekombinasjon. Mellom søster kromatider . I mange bakterier er resistens assosiert med genamplifisering på et plasmid ofte assosiert med tilstedeværelsen av IS-sekvensen. Imidlertid er det noen få tilfeller der ufullkomne homologe regioner kan tillate amplifisering av resistensgener, slik som amplifikasjon av tetL-genet på plasmidet pAMal som gir resistens mot tetracyklin i Enterococcus faecalis .
Genamplifisering på bakteriekromosometAmplifiseringen av kromosomgener er lik den som observeres på bakterielle plasmider. For eksempel er β-laktamase- amplifikasjon blitt observert i Escherichia coli og Yersinia enterocolitica som gir β-laktamresistens ved mekanismer som er avhengige og uavhengige av Rec A.-proteinet. Imidlertid er det spesifikke eksempler der bare noen få par baser dupliseres. I Staphylococcus aureus og Yersinia enterocolitica fører duplisering av ribosominngangsstedet til makrolidresistensgenet kalt ermA (for erytromycinresistens metylase A) til stimulering av ermA-oversettelse. Til slutt, i bakterien Streptococcus pneumoniae , er duplisering av 18 basepar i rplV- genet som koder for det ribosomale proteinet L22 ansvarlig for resistens mot makrolider . Denne dupliseringen genererer en duplisering av 6 aminosyrer nær interaksjonsstedet for makrolidet på 23S- underenheten til ribosomet, og blokkerer dermed interaksjonen mellom antibiotika og ribosomet. De fleste genamplifikasjoner som gir resistens mot antibiotika, er indusert i forskningslaboratorier. I kliniske studier er identifisering av genamplifisering ganske sjelden, sannsynligvis på grunn av ustabilitet av genamplifikasjoner. Ved screening av stammer av Streptococcus agalactiae ble to stammer resistente mot sulfonamider og trimetoprim isolert med en amplifikasjon som inneholdt operon folCEPBK involvert i syntesen av vitamin B9 .