유전자 중복

유전자 중복은 같은 기능을 수행하는 유기체의 게놈에 여러 유전자가 존재하는 것이다.유전자 중복은 유전자 중복에서 비롯될 수 있다.^[1]그러한 복제 사건은 많은 파라로그 유전자의 집합에 책임이 있다.^[1]그러한 집합의 개별 유전자가 돌연변이나 표적 녹아웃에 의해 교란되면 유전자 중복의 결과로 표현형에는 거의 영향이 없는 반면, 그 효과는 한 부만 있는 유전자의 녹아웃에 큰 것이다.^[2]유전자 녹아웃은 유지보수와 체력 효과 기능의 중복 특성을 목표로 하는 일부 연구에서 활용되는 방법이다.^[3]null

고전적인 유지 관리 모델들은 기능 돌연변이의 해로운 상실을 보상할 수 있는 능력 때문에 복제 유전자가 게놈의 다양한 범위에 보존될 수 있다고 제안한다.^[4][5]이러한 고전적인 모델들은 긍정적인 선택으로 인한 잠재적 영향을 고려하지 않는다.이러한 고전적 모델을 넘어, 연구자들은 중복 유전자가 유지되고 진화하는 메커니즘을 계속 탐구하고 있다.^[6][7][8]유전자 중복은 새로운 유전자 발생의 원천으로 오랫동안 인정되어 왔다.^[8] 즉, 새로운 모델에서^[4] 제안한 대로 원래의 기능을 수행하기 위해 원래의 유전자가 유지되는 동안, 복제된 유전자에 선택적 압력이 존재할 때 새로운 유전자가 발생할 수 있다.

중복 유전자의 기원과 진화

유전자 중복은 종종 진의 복제에서 비롯된다.^[9]유전자 중복의 세 가지 더 흔한 메커니즘은 재생, 불균등 교차, 비동음 분절 복제다.리트로포케이션은 유전자의 mRNA 대본이 DNA로 역번사되어 다른 위치에서 게놈에 삽입되는 것을 말한다.균일하지 않게 교차하는 동안, 균질하지 않은 염색체들은 그들의 DNA의 불균일한 부분을 교환한다.이렇게 되면 한 염색체의 유전자가 다른 염색체로 전이되어 한 염색체에 같은 유전자가 두 개 남고, 다른 염색체에는 유전자의 복제본이 남지 않게 된다.비호몰성 중복은 관심 유전자를 새로운 위치로 전환하는 복제 오류로 인해 발생한다.그 후 탠덤 복제가 일어나 같은 유전자의 두 복제본을 가진 염색체가 만들어진다.그림 1은 이 세 가지 메커니즘의 시각화를 제공한다.^[10]유전자가 게놈 안에서 복제될 때, 이 두 사본은 처음에는 기능적으로 중복된다.이러한 중복 유전자들은 기능적으로 분리될 때까지 시간이 지남에 따라 변화를 축적함에 따라 파라로그로 간주된다.^[11]null

많은 연구가 중복 유전자가 어떻게 지속되는가에 대한 문제를 중심으로 이루어지고 있다.^[12]중복 유전자의 보존을 설명하기 위한 세 가지 모델이 생겨났다: 적응 방사선, 발산, 적응 충돌로부터의 탈출이다.특히, 복제 사건 이후의 유지는 복제 사건의 유형과 유전자 등급의 유형에 의해 영향을 받는다.즉, 일부 유전자 클래스는 소규모 복제 또는 전체 게놈 복제 이벤트에 따른 중복성에 더 적합하다.^[13]중복 유전자는 복잡한 경로에 관여하고 전체 게놈 복제 또는 다중복제의 산물일 때 생존 가능성이 더 높다.^[13]null

현재 단일 유전자 중복에 대해 허용되는 결과는 유전자 손실(비기능화), 기능적 차이, 유전적 강건성 증가를 위한 보존 등이다.^[11]그렇지 않으면, 다세대 가정은 결합 진화, 즉 출생과 사망 진화를 겪을 수도 있다.^[11]결합진화는 유전자 계열과 같은 집단의 유전자가 병렬로 진화한다는 생각이다.^[11]출생사망 진화 개념은 유전자가족이 강력한 정화 선택을 받는다는 것이다.^[11]null

기능성 다이버전스

게놈은 여러 세대에 걸쳐 복제되기 때문에 유전자 표류로 인해 중복 유전자의 기능이 진화할 가능성이 크다.유전적 표류는 변형을 제거하거나 모집단의 변형을 수정함으로써 유전적 중복성에 영향을 미친다.^[12]유전적 표류가 변형을 유지하는 경우, 유전자는 전체적인 기능을 변화시키는 돌연변이를 축적할 수 있다.^[14]그러나, 많은 중복 유전자는 분리될 수 있지만, 중복 유전자의 보완 작용에 의해 원래의 유전자 기능을 보존하는 하위 기능화와 같은 메커니즘에 의해 원래의 기능을 유지한다.^[13][12]유전자의 기능적 다양성의 세 가지 메커니즘은 비기능화(또는 유전자 손실), 신기능화(neoofismization), 부기능화(subfunctivalization)이다.^[11]null

비기능화 또는 퇴화/진상 손실 시, 복제된 유전자 한 부에서 돌연변이가 발생하여 비활성 또는 무음 상태가 된다.비기능화는 종종 단일 유전자 중복의 결과물이다.^[11]이때 유전자는 기능이 없어 가성종이라고 한다.유사생물은 유전적 돌연변이로 인해 시간이 지남에 따라 소실될 수 있다.오동작성증은 유전자의 한 복사본이 유전자에게 원래 기능과 다른 새롭고 유익한 기능을 제공하는 돌연변이를 축적할 때 발생한다.부기능화는 중복 유전자의 두 복사본이 모두 돌연변이를 획득할 때 발생한다.각각의 복사본은 부분적으로만 활성화된다; 이 부분 복사본들 중 두 개는 원래 유전자의 정상적인 하나의 복사본으로 작용한다.오른쪽 그림 2는 이 개념의 시각화를 제공한다.null

전이 가능한 요소

전이 가능한 요소는 기능적 분화에서 다양한 역할을 한다.재조합을 제정함으로써, 전이 가능한 요소들은 게놈의 중복된 시퀀스를 움직일 수 있다.^[15]이러한 시퀀스 구조와 위치의 변화는 기능적 다양성의 원천이다.^[15]전이 가능한 원소들은 크기가 큰 양의 마이크로 RNA를 포함하고 있다는 점에서 잠재적으로 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있다.^[15]null

유전자 유지 가설

이중화 유전자의 진화와 기원은 대부분 진화가 그렇게 오랜 기간에 걸쳐 일어나기 때문에 미지의 상태로 남아 있다.이론적으로 유전자는 그것에 작용하는 선택적 압력이 없는 한 돌연변이 없이 유지될 수 없다.따라서 유전자 중복은 유전자의 두 복사본이 다른 복사본이 여전히 기능을 수행할 수 있는 한 두 개의 돌연변이를 축적할 수 있게 할 것이다.이는 모든 중복 유전자가 이론적으로 유사유전자가 되어 결국 소실되어야 한다는 것을 의미한다.과학자들은 왜 중복 유전자가 게놈에 남아있을 수 있는지에 대한 두 가지 가설을 고안했다: 백업 가설과 피기백 가설이다.^[16]null

백업 가설은 일종의 "백업 계획"으로서 중복 유전자가 게놈에 남아 있다는 것을 제안한다.만약 원래의 유전자가 기능을 상실하면, 그 중복 유전자가 그 자리를 차지하여 세포의 생존을 유지하게 된다.피기백 가설은 게놈의 두 개의 파라로그가 중복함수뿐만 아니라 일종의 비중첩함수를 가지고 있다고 말한다.이 경우 고유함수를 코딩하는 영역과 근접해 유전자의 중복 부분이 게놈에 남아 있게 된다.^[17]중복 유전자가 게놈에 남아 있는 이유는 현재 진행 중인 의문과 유전자 중복이 전 세계 연구자들에 의해 연구되고 있기 때문이다.백업 모델과 피기백 모델 외에도 많은 가설들이 있다.예를 들어 미시건 대학에서 한 연구는 발현을 줄임으로써 게놈에 중복 유전자가 유지된다는 이론을 제시한다.null

리서치

진 패밀리와 필로니

연구자들은 종종 유전자의 중복된 역사를 유전자 가족의 형태로 사용하여 한 종의 유전자에 대해 알게 된다.중복 유전자가 기능적 다양화를 거치는 데는 시간이 걸린다; 정형외과 의사들 사이의 다양화의 정도는 두 유전자가 얼마나 밀접하게 연관되어 있는지를 말해준다.유전자 중복사건은 유전자 중복종의 증가를 살펴봄으로써도 발견될 수 있다.null

진화 연구에서 유전자 중복을 사용하는 좋은 예는 식물에서 KCS 유전자 계열의 진화다.이 논문은 KCS 유전자가 어떻게 복제 사건을 통해 전체 유전자 계열로 진화했는지를 연구한다.이 종의 중복 유전자의 수는 연구자들이 복제 사건이 언제 일어났는지, 그리고 종들이 얼마나 밀접하게 연관되어 있는지를 판단할 수 있게 해준다.null

중복 유전자 찾기 및 특성화

현재 알려진 게놈 시퀀스에서 파라로그를 검출하는 방법은 단순 호몰로지(FASTA), 유전자 계열 진화(TreeFam), 정형학(egGNOG v3) 등 3가지다.연구자들은 종종 유전체를 구성하고 마이크로레이를 사용하여 게놈의 구조를 비교하여 중복성을 식별한다.^[18]다수의 게놈을 비교하기 위해 정합체 정렬 생성과 직교 부위의 분석과 같은 방법이 사용된다.단일 게놈은 철저한 쌍방향 비교를 통해 중복 유전자를 스캔할 수 있다.^[18]중복 유전자에 대한 보다 힘든 분석을 수행하기 전에, 연구자들은 일반적으로 개방된 판독 프레임 길이와 무성 돌연변이와 비침묵 돌연변이 사이의 비율을 비교하여 기능성을 시험한다.^[18]인간 게놈 프로젝트가 완료된 이후, 연구원들은 훨씬 더 쉽게 인간 게놈에 주석을 달 수 있다.UCSC의 게놈 브라우저와 같은 온라인 데이터베이스를 사용하여, 연구원들은 관심 있는 유전자의 순서에서 동질학을 찾을 수 있다.null

유방암 처리 유전자

중복이 발생하는 복제 방식은 유방암 처리 유전자의 분류에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.^[19]총중복제는 임상 해석을 복잡하게 한다. 왜냐하면 그것들이 동시에 발생하는지 구별하기 어렵기 때문이다.DNA 중단점 분석과 같은 최근의 방법들은 탠덤 상태를 결정하기 위해 사용되어 왔다.^[19]따라서 이러한 탠덤 총중복제는 병원성 상태를 더 정확하게 검사할 수 있다.^[19]이 연구는 유방암의 위험을 평가하는 데 중요한 의미를 갖는다.^[19]null

삼중수소초에서의 병원체 저항성

연구자들은 또한 유기체 수준에서 선택적 이점을 주는 중복 유전자를 밝혀냈다.부분복제로 인한 중복 유전자인 부분 ARM1 유전자가 곰팡이 균인 블루메리아 그라미니스에 내성을 부여하는 것으로 밝혀졌다.^[20]이 유전자는 밀, 호밀, 보리를 포함한 트리티세아 부족의 구성원들에게 존재한다.^[20]null

인간 중복 유전자

후각수용체

인간 후각 수용체(OR) 유전자 계열은 339개의 온전한 유전자와 297개의 유사 유전자를 포함하고 있다.이 유전자들은 게놈 전체에서 서로 다른 위치에서 발견되지만, 오직 13%만이 다른 염색체나 멀리 떨어져 있는 로키에서 발견된다. 172개의 OR 유전자들은 각각 자신의 로키에서 인간에게서 발견되었다.이들 하위가족 각각에 있는 유전자는 구조적으로 기능적으로 유사하고, 서로 근접하여 서로 가까이 있기 때문에 각각이 복제사건을 겪는 단일 유전자에서 진화했다는 가설이 성립된다.인간의 하위 가족 수가 많은 것은 왜 우리가 그렇게 많은 냄새를 인식할 수 있는지를 설명해준다.null

인간 OR 유전자는 쥐와 같은 다른 포유류에서 후각 수용체 유전자의 진화를 보여주는 동음이의어가 있다.악취지각의 초기 발생에 관여하는 한 특별한 가족은 척추동물 진화 전반에 걸쳐 매우 보존되어 있는 것으로 밝혀졌다.^[21]null

병

중복되는 사건과 중복되는 유전자는 종종 인간의 질병에 영향을 미치는 것으로 여겨져 왔다.척추동물 진화 초기에 발생한 대규모 전체 게놈 복제 사건은 인간 모노제 질병 유전자가 중복 유전자를 많이 포함하고 있는 이유일 수 있다.첸 외인간 단생성 질환 유전자의 기능적으로 중복되는 파라로그가 지배적인 유해 돌연변이의 영향을 가려 인간 게놈의 질병 유전자를 유지한다는 가설을 세운다.^[22]null

전체 게놈 복제는 인간 게놈의 유전자를 유발하는 일부 종양의 보존의 주요 원인일 수 있다.^[23]예를 들어 스트라우트 외 연구진.^[24]동질 재조합을 통해 일어날 가능성이 있는 탠덤 복제 사건은 급성 골수성 백혈병과 관련이 있다는 것을 보여주었다.급성 골수성 백혈병 환자에게서 유전적 결함이 발견된 것은 ALL1(MLL) 유전자의 부분복제다.null

참조

추가 읽기

• Lehner B (2007). "Modelling genotype–phenotype relationships and human disease with genetic interaction networks". J Exp Biol. 210 (9): 1559–66. doi:10.1242/jeb.002311. PMID 17449820.
• 유전자 과학 학습 센터."가정적 유전자와 신체 패턴"학습.유전자학 2016년 4월 6일 <http://learn.genetics.utah.edu/content/variation/hoxgenes/>
• 궈, H.S. 외"KCS 유전자 가족의 진화: 유전자 복제, 하위/부작위 및 중복의 역사."^[1]분자 유전학 및 유전학(2015): 14p. 스코푸스®
• 노왁 마, Boerlijst Mc, Cooke J, Smith Jm. "유전자 중복의 진화"네이처 388, 167-171. (1997년 7월 10일)