Псевдоген

Псевдогени ― нефункционални сегменти на ДНК кои личат на функционални гени. Повеќето се појавуваат како излишни копии на функционални гени, или директно со удвојување на гените или индиректно со обратна транскрипција на транскрипт на информациска РНК. Псевдогените обично се идентификувани кога анализата на геномската секвенца ќе најде секвенци слични на ген на кои им недостасуваат регулаторни секвенци потребни за транскрипција или транслација, или чии секвенци за кодирање се очигледно неисправни поради поместување на рамката или предвремени застанувачки кодони. Псевдогените се вид на несакана ДНК.

Повеќето небактериски геноми содржат многу псевдогени, често колку и функционални гени. Ова не е изненадувачки, бидејќи се очекува различни биолошки постапки случајно да создадат псевдогени, а не постојат специјализирани механизми за нивно отстранување од геномите. Евентуално псевдогените може да бидат избришани од нивните геноми со шанса за репликација на ДНК или грешки за поправка на ДНК, или може да собираат толку многу мутациски промени што повеќе не се препознавани како поранешни гени. Анализата на овие настани на разградување помага да бидат разјаснети ефектите на неселективните постапки во геномите.

Псевдогените секвенци може да бидат транскрибирани во РНК на ниски нивоа, поради промоторните елементи наследени од генот на предците или кои произлегуваат од нови мутации. Иако повеќето од овие транскрипти нема да имаат повеќе функционално значење од случајните транскрипти од други делови на геномот, некои довеле до поволни регулаторни РНК и нови белковини.

Својства

Псевдогените обично се одликуваат со комбинација на сличност со познат ген и губење на одредена функционалност. Односно, иако секој псевдоген има секвенца на ДНК што е слична на некој функционален ген, тие обично не можат да произведат функционални крајни белковински производи. Псевдогените понекогаш е тешко да бидат идентификувани и карактеризирани во геномите, бидејќи двете барања за сличност и губење на функционалноста обично се подразбирани преку порамнување на секвенците наместо биолошки докажани.

1. Хомологијата се подразбира со сличноста на секвенците помеѓу секвенците на ДНК на псевдогенот и на познат ген. По порамнувањето на двете секвенци, пресметуван е процентот на идентични базни парови. Високиот идентитет на секвенца значи дека е голема веројатноста овие две секвенци да се разликуваат од заедничката секвенца на предците (се хомологни) и многу малку веројатно овие две секвенци да еволуирале независно (види конвергентна еволуција).
2. Нефункционалноста може да биде манифестирана на многу начини. Нормално, генот мора да помине низ неколку чекори до целосно функционална белковина: Транскрипцијата, обработката пред информациска РНК, транслацијата и преклопувањето на белковините се сите потребни делови од оваа постапка. Ако некој од овие чекори не успее, тогаш низата може да биде сметана за нефункционална. Во идентификацијата на псевдоген со висока пропусност, најчесто идентификуваните оневозможувања се предвремените застанувачки кодони и поместувања на рамката, кои речиси универзално го спречуваат преведувањето на функционален белковински производ.

Псевдогените за гените на РНК обично се потешко да бидат откриени бидејќи не треба да бидат преведувани и затоа немаат „рамки за читање“. Бројни псевдогени на рибозомна РНК се идентификувани врз основа на промените во краевите на низата на рибозомната РНК.

Псевдогените можат да ги усложат молекуларните генетски студии. На пример, засилувањето на генот со полимеразна верижна реакција може истовремено да засили псевдоген кој споделува слични секвенци. Ова е познато како пристрасност на полимеразната верижна реакција или пристрасност за засилување. Слично на тоа, псевдогените понекогаш се означени како гени во геномските секвенци.

Обработените псевдогени често претставуваат проблем за програмите за предвидување на гени, честопати погрешно се идентификувани како вистински гени или егзони. Предложено е дека идентификацијата на обработените псевдогени може да помогне да се подобри точноста на методите за предвидување на гените.

Во 2014 година, било покажано дека биле преведени 140 човечки псевдогени. Сепак, функцијата, доколку ја има, на белковинските производи е непозната.

Видови и потекло

Механизам на класично и обработено образување на псевдогени

Постојат четири главни видови на псевдогени, сите со различни механизми на потекло и одлики. Класификациите на псевдогените се како што следува:

Обработени

Преработено производство на псевдоген.

Кај повисоките еукариоти, особено кај цицачите, ретротранспозицијата е прилично чест настан кој има огромно влијание врз составот на геномот. На пример, некаде помеѓу 30 и 44% од човечкиот геном се состои од повторувачки елементи како што се краткиот прошаран јадрен елемент и долгиот прошаран јадрен елемент (види ретротранспонзони). Во постапката на ретротранспозиција, дел од информациската РНК или хетерогена јадрена РНК транскриптот на генот спонтано се транскрибира назад во ДНК и се вметнува во хромозомската ДНК. Иако ретротранспозоните обично создаваат копии од себе, во ин витро систем било покажано дека тие можат да создадат и ретротранспонирани копии на случајни гени. Штом овие псевдогени ќе бидат вметнати назад во геномот, тие обично содржат поли-А опашка и обично им се спојуваат интроните; и двете носат особини на комплементарна ДНК. Меѓутоа, бидејќи тие се добиени од производ на РНК, на обработените псевдогени, исто така, им недостасуваат нагорните промотори на нормалните гени; така, тие се сметани за „мртви по пристигнувањето“, станувајќи нефункционални псевдогени веднаш по настанот на ретротранспозиција. Сепак, овие вметнувања повремено придонесуваат со егзони на постоечките гени, обично преку алтернативно споени транскрипти. Понатамошна особина на обработените псевдогени е вообичаеното скратување на 5' крајот во однос на матичната секвенца, што е резултат на релативно необработниот механизам за ретротранспозиција кој создава обработени псевдогени. Преработените псевдогени постојано се создаваани кај приматите. Човечкото население, на пример, има различни групи на обработени псевдогени кај неговите поединци.

Било покажано дека обработените псевдогени собираат мутации побрзо од необработените псевдогени.

Необработени (удвоени)

Еден начин за псевдоген да може да се појави.

Умножувањето на гените е уште еден вообичаен и важна постапка во еволуцијата на геномите. Копија на функционален ген може да се појави како резултат на настан за удвојување на генот предизвикан од хомологна рекомбинација на, на пример, повторувачки секвенци на краткиот прошаран јадрен елемент на неусогласени хромозоми и последователно да се здобијат со мутации што предизвикуваат копијата да ја изгуби функцијата на првобитниот ген. Умножените псевдогени обично ги имаат сите исти одлики како гените, вклучувајќи непроменета структура на егзон-интрон и регулаторни секвенци. Губењето на функционалноста на дупликат ген обично има мало влијание врз кондицијата на организмот, бидејќи сè уште постои недопрена функционална копија. Според некои еволутивни модели, заедничките дупликати псевдогени укажуваат на еволутивната поврзаност на луѓето и другите примати. Ако псевдогенизацијата се должи на удвојување на гените, тоа обично се случува во првите неколку милиони години по удвојувањето на генот, под услов генот да не бил подложен на каков било притисок на селекција. Умножувањето на гените создава функционален вишок и вообичаено не е поволно да бидат носеи два идентични гени. Мутациите што ја нарушуваат структурата или функцијата на кој било од двата гени не се штетни и нема да се отстранат преку постапката на селекција. Како резултат на тоа, генот кој мутирал постепено станува псевдоген и ќе биде или неизразен или нефункционален. Овој вид на еволутивна судбина е прикажана со генетско моделирање на населението и исто така со анализа на геномот. Според еволутивниот контекст, овие псевдогени или ќе бидат избришани или ќе станат толку различни од родителските гени, така што повеќе нема да бидат препознатливи. Релативно млади псевдогени може да бидат препознани поради нивната сличност во низата.

Унитарни псевдогени

2 начини на кои може да биде произведен псевдоген.

Различни мутации (како што се инделни и бесмислени мутации) може да спречат генот да биде нормално транскрибиран или преведен, а со тоа генот може да стане помалку или нефункционален или „исклучен“. Тоа се истите механизми со кои необработените гени стануваат псевдогени, но разликата во овој случај е што генот не бил дупликат пред псевдогенизацијата. Нормално, таков псевдоген веројатно нема да биде фиксиран кај населението, но различните популациони ефекти, како што се генетското поместување, тесно грло на населението или, во некои случаи, природна селекција, може да доведат до фиксација. Класичниот пример на унитарен псевдоген е генот што веројатно го кодирал ензимот L-гулоно-γ-лактон оксидаза кај приматите. Кај сите проучувани цицачи покрај приматите (освен заморчињата), L-гулоно-γ-лактон оксидаза помага во биосинтезата на аскорбинска киселина (витамин Ц), но постои како ген со инвалидитет кај луѓето и другите примати. Друг понов пример за онеспособен ген го поврзува исклучувањето на генот на каспаза 12 (преку бесмислена мутација) со позитивна селекција кај луѓето.

Примери за псевдогена функција

Додека огромното мнозинство на псевдогени ја изгубиле својата функција, се појавиле некои случаи во кои псевдогенот или повторно ја добил својата оригинална или слична функција или еволуирал нова функција. Во човечкиот геном, идентификувани биле голем број примери кои првично биле класифицирани како псевдогени, но подоцна било откриено дека имаат функционална, иако не нужно белковинско-кодирачка улога.

Примерите се следниве:

Кодирање на белковини: „псевдо-псевдогени“

Drosophila melanogaster.

Брзата пролиферација на технологиите за секвенционирање на ДНК довело до идентификација на многу очигледни псевдогени со помош на техники за предвидување на гени. Псевдогените често се идентификувани со појавата на предвремен застанувачки кодон во предвидената секвенца на информациска РНК, која, теоретски, би ја спречила синтезата ( преведувањето) на нормалниот белковински производ на првобитниот ген. Имало некои извештаи за преводно читање на такви предвремени застанувачки кодони кај цицачите. Како што се алудира на сликата погоре, мала количина од белковинскиот производ од таквото читање сè уште може да се препознае и да функционира на одредено ниво. Ако е така, псевдогенот може да биде подложен на природна селекција. Се чини дека тоа се случило за време на еволуцијата на видовите Drosophila.

Во 2016 година, било објавено дека четири предвидени псевдогени во повеќе видови на Drosophila всушност кодираат белковини со биолошки важни функции, „што наведува дека таквите „псевдо-псевдогени“ би можеле да претставуваат широко распространет феномен“. На пример, функционалната белковина (глутаматенски миризлив рецептор) од генот Ir75a се наоѓа само во невроните. Ова откритие за ткивно-специфични биолошки-функционални гени кои би можеле да бидат класифицирани како псевдогени преку сметачка анализа ја усложуба анализата на податоците за секвенцата. Друг псевдо-псевдоген на Drosophila е jingwei, кој кодира функционален ензим на алкохол дехидрогеназа во живо.

Од 2012 година, се чинело дека има приближно 12.000-14.000 псевдогени во човечкиот геном. Протеогеномска анализа од 2016 година користејќи масена спектрометрија на пептиди идентификувала најмалку 19.262 човечки белковини произведени од 16.271 ген или кластери на гени, со идентификувани 8 нови гени за кодирање на белковини кои претходно биле сметани за псевдогени. Претходна анализа покажала дека човечката PGAM4 (фосфоглицератна мутаза), за која претходно било мислено дека е псевдоген, не само што е функционален, туку предизвикува и неплодност доколку мутира.

Голем број на псевдо-псевдогени, исто така, биле пронајдени кај прокариотите, каде што некои застанувачки кодон замени во суштинските гени се чини дека се задржани, дури и тие што се позитивно избрани.

Кодирање на небелковини

Мала интерференциска РНК. Некои ендогени мали интерференциски РНК се чини дека потекнуваат од псевдогени, а со тоа и некои псевдогени играат улога во регулирањето на транскриптите за кодирање на белковини, како што било разгледано. Еден од многуте примери е psiPPM1K. Преработката на РНК транскрибирани од psiPPM1K дава малите интерференциски РНК кои можат да дејствуваат за да го потиснат најчестиот вид на рак на црниот дроб, хепатоцелуларен карцином. Ова и многу други истражувања довеле до значителна возбуда за можноста за целење на псевдогени со/како терапевтски агенси.

Дејствувачка со пиви РНК. Некои дејствувачки со пиви РНК се изведени од псевдогени сместени во кластери на дејствувачки со пиви РНК. Тие дејствувачки со пиви РНК ги регулираат гените преку патеката на дејствувачка со пиви РНК кај тестисите на цицачите и се клучни за ограничување на оштетувањето на транспонираните елементи на геномот.

Псевдогенот BRAF делува како натпреварувачката ендогена РНК.

Микро РНК. Постојат многу извештаи за псевдогени транскрипти кои делуваат како мамки на микро РНК. Можеби најраниот дефинитивен пример за таков псевдоген вклучен во ракот е псевдогенот на BRAF. Генот BRAF е прото-онкоген кој, кога мутира, е поврзан со многу видови на рак. Нормално, количината на белковината си BRAF е држена под контрола во клетките преку дејството на микро РНК. Во нормални ситуации, количината на РНК од BRAF и псевдогенот BRAFP1 се натпреваруваат за микро РНК, но рамнотежата на 2 РНК е таква што клетките нормално растат. Меѓутоа, кога изразувањето на BRAFP1 РНК е зголемено (или опитно или со природни мутации), помалку микро РНК е достапна за контрола на изразувањето на BRAF, а зголемената количина на белковина со BRAF предизвикува рак. Овој вид на конкуренција за регулаторни елементи од РНК кои се ендогени за геномот е наречено натпревачувачка ендогена РНК.

PTEN. Генот PTEN е познат туморско потиснувачки ген. Псевдогенот PTEN, PTENP1 е обработен псевдоген кој е многу сличен по својата генетска секвенца со генот од див врста. Сепак, PTENP1 има погрешна мутација која го елиминира кодонот за иницирачкиот метионин и на тој начин го спречува преведувањето на нормалната белковина со PTEN. И покрај тоа, се чини дека PTENP1 игра улога во онкогенезата. 3' UTR на информациска РНК на PTENP1 функционира како мамка на информациска РНК на PTEN со целење на микро РНК поради неговата сличност со генот PTEN, а прекумерното изразување на 3' UTR резултирало со зголемување на нивото на белковината со PTEN. Односно, прекумерното изразување на PTENP1 3' UTR доведува до зголемена регулација и потиснување на ракородните тумори. Биологијата на овој систем во основа е обратна од системот BRAF опишан погоре.

Потогени. Псевдогените можат, во текот на еволутивните временски размери, да учествуваат во претворање на гени и други мутациони настани кои можат да доведат до нови или новофункционални гени. Ова доведе до концептот дека „псевдо“гените би можеле да бидат гледани како „пото“гени: „потенцијални“ гени за еволутивна диверзификација.

Бактериски псевдогени

Псевдогени се наоѓаат во бактериите. Повеќето се наоѓаат во бактерии кои не живеат слободно; односно тие се или симбионти или задолжителни интрацелуларни паразити. Така, тие не бараат многу гени кои им се потребни на слободните бактерии, како што е генот поврзан со метаболизмот и поправката на ДНК. Сепак, не постои редослед по кој прво се губени функционалните гени. На пример, најстарите псевдогени во Mycobacterium leprae се во РНК-полимеразите и биосинтезата на секундарните метаболити додека најстарите во Shigella flexneri и Shigella typhi се во репликација на ДНК, рекомбинација и поправка.

Бидејќи повеќето бактерии кои носат псевдогени се или симбионти или задолжителни интрацелуларни паразити, големината на геномот на крајот се намалува. Краен пример е геномот на Mycobacterium leprae, задолжителен паразит и предизвикувачкиот агенс на лепрата. Пријавено е дека има 1.133 псевдогени кои предизвикуваат приближно 50% од неговиот транскриптом. Ефектот на псевдогените и намалувањето на геномот може дополнително да биде видено кога ќе биде спореден со Mycobacterium marinum, патоген од исто семејство. Mycobacteirum marinum има поголем геном во споредба со Mycobacterium leprae бидејќи може да преживее надвор од домаќинот; затоа, геномот мора да ги содржи гените потребни за тоа.

Иако намалувањето на геномот се насочува на тоа кои гени не се потребни со ослободување од псевдогените, селективните притисоци од домаќинот може да го поколебаат она што се задржува. Во случај на симбионт од филумот Verrucomicrobiota, постојат седум дополнителни копии на генот кој го кодира манделалидниот пат. Домаќинот, видот од Lissoclinum, користи манделалиди како дел од својот одбранбен механизам.

Врската помеѓу епистазата и домино теоријата за губење на генот била забележана кај Buchnera aphidicola. Домино теоријата наведува дека ако еден ген од клеточната постапка е исклучен, тогаш селекцијата во другите вклучени гени се опушта, што доведува до губење на генот. Кога се споредуваат Buchnera aphidicola и Escherichia coli, откриено е дека позитивната епистаза го поттикнува губењето на генот додека негативната епистаза го попречува.

ПроS локусите во Mycobacterium leprae и M. tuberculosis, кои покажуваат три псевдогени (означени со вкрстувања) во M. leprae кои сè уште имаат функционални хомолози во M. tuberculosis. Хомологните гени се означени со идентични бои и тенки сини вертикални шипки. Изменето по Кол и колегите, 2001.

Поврзано

• Список на исклучени човечки псевдогени
• Молекуларна еволуција
• Молекуларна палеонтологија
• Псевдоген (база на податоци)
• Ретропосон
• Ретротранспон

Надворешни врски

• База на податоци за псевдогени интеракции, база на податоци за интеракциски карти на микро РНК-псевдоген и белковински-псевдоген
• Псевдогена база на податоци на Универзитетот Јеил
• Hoppsigen база на податоци (хомологни обработени псевдогени)
• RCPedia - Обработена база на податоци за псевдоген