Genduplicering (genamplifiering): definition och evolutionär betydelse
Genduplicering (genamplifiering): hur duplicerade gener skapar genetisk variation, driver evolution och formar organismer — ny forskning och insikter från genomsekvenser.
Genduplicering (eller genamplifiering) är en duplicering av en DNA-region som innehåller en gen.
Genduplicering är viktig för att förse den biologiska evolutionen med rått genetiskt material - nya gener. Detta har man insett sedan 1930-talet. Nya genomsekvensdata visar att duplicerade gener är vanliga i alla undersökta organismer.
Mekanismer bakom genduplicering
- Ojämt överkorsande (unequal crossing-over) under meiosen, vilket ger tandemdupliceringar.
- Replikationsslip (replication slippage) där DNA-polymeraset hoppar och kopierar segment flera gånger.
- Retrotransposition, där ett mRNA omvändtranskriberas och en kopia sätts in på en annan plats i genomet (ofta utan introner).
- Segmentell duplicering genom icke-allelisk homolog rekombination mellan upprepade sekvenser.
- Helgenomduplikation / polyploidi, där hela kromosomuppsättningar dupliceras — särskilt vanlig och evolutionärt betydelsefull hos växter.
Typer av dupliceringar
- Tandemdupliceringar — kopior sitter nära varandra på kromosomen.
- Segmentella dupliceringar — större block av DNA som duplicerats och flyttats.
- Retrotransponerade kopior — ofta intronlösa och saknar ursprunglig reglering.
- Helgenomduplikation — alla gener i genomet dupliceras, vilket kan leda till omfattande neofunktionalisering och artspeciering.
Evolutionär betydelse
Genduplicering ger råmaterial för evolution. När en gen dupliceras kan en kopia behålla originalfunktionen medan den andra antingen:
- Neofunktionaliseras — utvecklar en ny funktion.
- Subfunktionaliseras — delar upp ursprunglig funktion mellan kopiorna.
- Pseudogeniseras — förlorar funktion och blir ett pseudogen om negativa mutationer ackumuleras.
Dessa processer bidrar till uppkomsten av större genfamiljer (till exempel hemoglobin- eller luktreceptorfamiljer) och komplexa genetiska nätverk. Insikten om gendupliceringens centrala roll populariserades särskilt av Susumu Ohno i hans bok "Evolution by Gene Duplication" (1970).
Öde för duplicerade gener
Det vanligaste ödet är att en av kopiorna förlorar funktion (pseudogen) eftersom selektion inte längre upprätthåller båda kopiornas integritet. Andra möjliga utfall är bevarande av båda kopiorna på grund av ökad genprodukt (dosiseffekt), uppdelning av funktioner eller utveckling av helt nya funktioner. Ibland sker koncerted evolution genom genkonversion, vilket håller kopiorna likartade.
Medicinsk och praktisk betydelse
- Sjukdomar och CNV: Kopiering eller förlust av genkopior (copy number variants) kan orsaka eller bidra till sjukdom. Exempel är vissa former av cancer där onkogener amplifieras (t.ex. MYC, ERBB2/HER2) och är viktiga för behandling och prognos.
- Medfödda störningar: Vissa medfödda tillstånd beror på specifika duplikationer (t.ex. dupliceringar som påverkar nervsystemet).
- Läkemedelsresistens och anpassning: Mikroorganismer kan förstärka gener som ger resistens mot antibiotika eller andra stressfaktorer genom amplification.
- Användning i forskning: Kunskap om genduplicering används vid genfunktionstudier, evolutionsforskning och diagnostik (t.ex. array-CGH, sekvenseringsbaserade metoder).
Upptäckt och analys
Moderna metoder för att hitta och karakterisera duplicerade gener inkluderar:
- Jämförande genomik och fylogenetiska analyser.
- Array-CGH och SNP-arrayer för att upptäcka CNV.
- Djupsekvensering (short- och long-read) där läsdjup och kartläggning visar kopietal och struktur.
- qPCR och digital PCR för kvantitativ bedömning av specifika kopior.
Exempel i naturen
- Hemoglobinkluster: flera globingenkopior med differentierad uttrycksprofil.
- Luktreceptorfamiljer: stora expansionsserier i däggdjur.
- Helgenomduplikation i jäst och många växter — kopplat till anpassning och artbildning.
- Människans AMY1-gen (salivamylas): kopietalsvariation kopplad till diet (stark vs. stärkelsefattig kost).
Sammanfattning: Genduplicering är en grundläggande mekanism för genetisk innovation. Genom olika mekanismer skapas extra genkopior som kan förlora funktion, bibehållas eller utvecklas till nya funktioner, vilket har stor betydelse för evolution, anpassning och medicinsk genetik.
Schematisk bild av ett område av en kromosom före och efter en duplikation.
Ursprung
I klassisk genetik kan det uppstå som ett fel i crossing-over under meiosen eller som en duplicering av en hel kromosom.
I icke-klassisk genetik kan det ske genom en retrotransposition.
Konsekvenser
Den andra kopian av genen är ofta relativt fri från selektivt tryck. Mutationer av den har inga skadliga effekter på värdorganismen. Den ackumulerar därför mutationer snabbare än en funktionell gen med en enda kopia, under generationer.
En duplikation är motsatsen till en borttagning. Duplikationer uppstår genom ojämna korsningar som sker under meiosen mellan homologa kromosomer som är felinställda. Produkten av denna rekombination är en duplikation på platsen för utbytet och en ömsesidig deletion.
Evolutionär betydelse
Genduplicering tros spela en viktig roll i evolutionen, en idé som föreslogs för första gången för 100 år sedan. Susumu Ohno var en av de mest kända utvecklarna av denna teori i sin klassiska bok Evolution by gene duplication (1970). Ohno hävdade att genduplicering är den viktigaste evolutionära kraften sedan uppkomsten av den sista universella gemensamma förfadern (LUCA).
Större duplikationer av arvsmassan är inte ovanliga. Man tror att hela jästgenomet duplicerades för cirka 100 miljoner år sedan. Växter är de mest produktiva genomduplikatorerna. Vete är till exempel hexaploid (ett slags polyploid), vilket innebär att det har sex kopior av sitt genom.
Normalt motarbetas en stor förändring av genens funktion eftersom den ursprungliga funktionen behövs, men efter en duplikation fortsätter en gen med den ursprungliga funktionen. Därför är det möjligt att ändra funktionen i den andra kopian utan att det leder till en försämrad kondition. Denna frihet från konsekvenser gör att fler mutationer kan "bäras" i populationen. Vissa av dessa kan öka organismens kondition eller kodar för en ny funktion.
De två gener som finns kvar efter en genduplikation kallas paraloger och kodar vanligtvis för proteiner med liknande funktion och/eller struktur. Ortologer däremot är gener som kodar för proteiner med liknande funktioner men som finns hos olika arter och som skapas genom artdelning.
Relaterade sidor
Sök