Псевдогены человека. Особенности

Обновлено: 17.05.2024

Псевдогены (ложные гены) - нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, сходные по строению с известными генами, но утратившие функциональную активность.

Онкогены - нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, присутствующие в хромосомах нормальных клеток, способные активизироваться под влиянием факторов внешней среды и продуцировать белки, вызывающие рост опухолей.

Мобильные (прыгающие) гены - гены, не имеющие постоянной локализации не только в хромосоме, но и в пределах хромосомного набора клетки. Понятно, что перемещения генов влияют на их экспрессию - ранее не активные гены могут активизироваться, и наоборот. Некоторые ученые считают, что эти гены играют важную роль в эволюции. Видимо, возникновение таким путем отдельных видов (в результате переноса информации от вида к виду) действительно возможно.

В последние десятилетия в генетике появилось еще одно новое понятие - «семейство генов», или «мультигенное семейство». Это группа генов, имеющих сходное строение, общее происхождение и выполняющих сходные функции. Число генов в разных семействах может колебаться от нескольких единиц до нескольких тысяч.

У человека имеются семейства генов, кодирующие

· α- и b- глобиновые белки гемоглобина;

· актины и миозины;

· белки, определяющие тканевую несовместимость;

Организация генов мультигенных семейств может быть разной. Так, семейства актиновых и миозиновых генов разбросаны по всему геному. Семейства генов, кодирующих a- и b- глобиновые белки, сосредоточены в одной хромосоме и образуютгенные кластеры (так называют семейства генов, расположенных в одной хромосоме).

Генные кластеры возникли в результате дупликации (удвоения) отдельных генов. Таким образом, возникновение генных кластеров есть отражение эволюционного процесса.

Псевдогены: консервация структуры, экспрессия и функции

Псевдогены традиционно рассматриваются как нефункциональные последовательности геномной ДНК (junk DNA), которые являются производными функциональных генов. Следовательно, предполагается, что псевдогены не подвергаются действию естественного отбора и соответственно все мутации псевдогенов являются селективно нейтральными и имеют равную вероятность фиксации в популяции. Мы приводим ряд структурных, функциональных и эволюционных особенностей псевдогенов, обнаруженных у разнообразных организмов, которые противоречат этой широко распространенной точке зрения. Псевдогены часто характеризуются высокой степенью консервации структуры и транскрипционной активностью. Более того, при детальных исследованиях у псевдогенов часто обнаруживается функциональная роль в таких процессах, как регуляция экспрессии генов и генерирование генетического разнообразия, а также ряд особенностей, которые характерны для генов, или ДНК последовательностей, имеющих функцию. Обзор данных приводит к выводу, что псевдогены являются важной составной частью генома, представляющей набор последовательностей доступных для функциональной эволюции и подвергаемой ненейтральным эволюционным изменениям. Предлагается рассматривать псевдогены как потогены (Brosius, Gould, 1992) т.е. последовательности ДНК, имеющие потенциальную возможность для формирования новых генов или функций. Предполагается, что псевдогены в совокупности с родительскими последовательностями могут формировать неделимые функционально взаимодействующие единицы (межгенные комплексы или "интергены"), в которых каждый отдельный компонент не способен успешно выполнять конечную функцию.

«Псевдо» ли псевдогены


Расширение технологических возможностей в биологии заставляет пересмотреть многие устоявшиеся парадигмы. Развитие научных знаний устремляется в сторону многогранности и комплексности взаимодействия элементов биологических систем. Биосистема уже не отдельная, пусть даже и уникальная, снежинка, а настоящий снежок, а возможно, и целый снеговик.

«Раньше было лучше»: трава была зеленее, солнце теплее, колбаса по 2,20 и с «мусорной» ДНК (junk DNA) было все ясно. Размер гаплоидного генома человека 3,2x10 9 нуклеотидных пар, из него около 1,5 % генома кодирует белки, около 30 % генома кодирует гены, кодирующие белки, остальное — «мусорная» ДНК. А теперь… «Я знаю, что ничего не знаю», — вздыхают генетики-сократики и пересматривают проблему «избыточности» генома.

Псевдогены традиционно рассматриваются как нефункциональные последовательности геномной ДНК, не кодирующие белок. Для обозначения псевдогенов используют символ ψ (исходя из этимологии: от греческого ψευδής — pseudḗs, «ложный, фальшивый, ненастоящий, притворный»), как своеобразное клеймо обманщика. Но заслуженно ли оно?

Несмотря на то, что они широко экспрессируются как в про-, так и в эукариотических организмах, их характеризовали как «геномные окаменелости» или фрагменты «мусорной» ДНК [1].

Псевдогены — эволюционно консервативные элементы, то есть схожие или идентичные последовательности, поддерживающиеся эволюцией, несмотря на процесс видообразования. Такая эволюционная «верность» позволяет предположить их высокую функциональную значимость [2].

По механизмам формирования выделяют процессированные и непроцессированные псевдогены (рис. 1) [3].


(A) Псевдогены подразделяют на процессированные и непроцессированные, среди последних также выделяют единичные и дуплицированные.
Единичные (унитарные) псевдогены образуются при деградации родительского гена в результате мутаций (обозначено красным).
Дуплицированные псевдогены возникают при копировании локусов гена, часто в сайт, ближайший к родительскому гену. Копия гена впоследствии «псевдогенизируется» путем инактивирующих мутаций.
Процессированные псевдогены образуются при интеграции в геном комплементарной ДНК (кДНК), синтезированной на матрице мРНК при обратной транскрипции. В результате процессированные псевдогены лишены интрон-экзонной структуры.
(В) Транскрибируемые псевдогены (информация с них перезаписывается [транскрибируется] в последовательность РНК). Условием для их возникновения является «захват» контроля над транскрипцией дуплицированными регуляторными последовательностями (т. е. областями промотора или энхансера). Процессированные псевдогены могут интегрироваться в сайты, прилегающие к регуляторным элементам. Транскрипция псевдогена может происходить как в смысловой, так и в антисмысловой ориентации [3].

Процессинг — это комплекс посттранскрипционных модификаций РНК, ее «созревание».

В результате встраивания продуктов обратной транскрипции мРНК соответствующих генов в новый участок генома появляется процессированный псевдоген. В ходе последующих аберрантных мутаций эти копии генов теряют свой кодирующий потенциал. Структурными особенностями таких псевдогенов является отсутствие интронов* и наличие поли(А)-тракта** на 3'-конце.

*Привычная идентификация экзонов как «кодирующих» и интронов как «некодирующих» участков несколько утрирована. Поскольку в ряде случаев интроны (или их части) являются «кодирующими», а экзоны — «некодирующими», точнее называть экзонами те участки ДНК, копии которых составляют зрелую РНК, а интронами — те внутренние районы гена, копии которых удаляются из первичного транскрипта и отсутствуют в зрелой РНК.
**Полиаденилатный хвост образуется в результате посттранскрипционного ферментативного присоединения к 3'-концу мРНК нуклеотидной последовательности, содержащей до 200 адениновых остатков (реакция полиаденилирования).

Также процессированные псевдогены зачастую не содержат промоторов. В таком случае их экспрессия осуществляться с участием других регуляторных элементов [4]. Например, псевдогены, расположенные в интронах других генов, «паразитируют» на аппарате транскрипции гена-хозяина. Приблизительно 10 % генов имеют процессированные псевдогены, чаще всего такой тип псевдогенов имеют гены «домашнего хозяйства» [5].

Эти гены вовлечены в поддержание основ функционирования клетки и, соответственно, экспрессируются на стабильном уровне в разнообразных клетках организма как в нормальном, так и в патологическом состоянии. Такие биологические свойства отвечают критериям идеального контрольного/эталонного гена для изучения экспрессии генов в данном организме [6].

Дуплицированные псевдогены образуются в результате тандемной дупликации или кроссинговера. Последующие мутации делают одну из копий гена функционально неактивной. Такие псевдогены сохраняют интрон-экзонную структуру. В отличие от процессированных псевдогенов, которые могут располагаться в различных участках генома, дуплицированные псевдогены не покидают отчую хромосому и обитают рядом с генами-родителями. Также они не взаимодействуют с сайтами связывания факторов транскрипции, активными маркерами хроматина или сайтами связывания РНК-полимеразы, что подтверждает их функциональную пассивность. Примерами таких инфантильных созданий являются единственный псевдоген в β-глобиновом локусе у людей на хромосоме 11 и три псевдогена в α-глобиновом локусе на хромосоме 16 [7].

В результате повреждающей мутации в единственной копии исходного гена могут возникать одиночные (унитарные) псевдогены. Это псевдогены-«сироты» (тяжелое наследие мутационной нагрузки): они не имеют функционально активного родительского псевдогена [8]. Классическим примером является ген L-глюконо-γ-лактоноксидазы (GULO), продукт которого является ферментом, катализирующим последний этап биосинтеза витамина С (L-аскорбиновая кислота). Этот ген является функциональным у большинства видов позвоночных, потому что витамин С необходим в качестве кофактора в нескольких метаболических реакциях; в частности, обработки коллагена. У приматов он обнаруживается уже в виде неактивного псевдогена [9].

У эукариот внеядерная генетическая информация также может вносить псевдогенные «поправки» в структуру ядерного собрата. Открытие этого феномена могло бы утешить бедного кота Тома, терроризируемого мышонком Джерри, мажора из семьи популярных экспериментальных организмов. Именно домашняя кошка Felis catus стала первым организмом, у которого был описан перенос крупного фрагмента митохондриальной ДНК (мтДНК) размером 7,9 тысяч пар нуклеотидов в ядро. Авторами предложен термин NUMT (NUclear copies of MiTochondrial genes) [10]. Соответственно, NUMT-псевдогены — это фрагменты мтДНК различного размера (как целые митохондриальные гены, так и последовательности двух и более соседних генов), встроенные в различные участки ядерного генома. NUMT-псевдогены — крайне нестабильные структуры и подвержены широкому спектру мутационных изменений: замены, вставки, делеции, дупликации.

Свидетелями защиты псевдогенной значимости выступают следующие факты:

  1. Многие псевдогены эволюционировали и выжили под давлением естественного отбора, согласующегося с биологической функциональностью.
  2. Транскрибируемые псевдогены имеют тканеспецифические паттерны экспрессии, в том числе в тканях, в которых нет родительского гена. Например, рецептор 5-HT7 (HRT7) имеет псевдоген, который экспрессируется в печени и почках, не экспрессирующих родительский ген HTR7 [11]. Экспрессия некоторых псевдогенов является динамической величиной и реагирует на физиологические сигналы, такие как клеточный стресс [12].
  3. Экспрессия псевдогенов обнаружена при различных патологических состояниях, преимущественно при онкологических заболеваниях (табл. 1) 14.

Таблица 1 | Экспрессия псевдогенов при различных формах онкологических заболеваний 17


Дифференциальная экспрессия транскриптов псевдогенов отмечена также при патологии иммунного ответа, в частности, при бронхиальной астме [21] и ВИЧ-инфекции [22, 23].

В контексте раскрывающихся возможностей псевдогенов встает вопрос об уместности «псевдо» в их наименовании. Перспективы уточнения роли этих структур для корректного встраивания в генетический пазл связаны с биоинформатическими инструментами. Постоянно нарастающая лавина экспериментальных данных требует систематизации для эффективного использования. Представленная в статье таблица охватывает не столь значительный объем исследований роли псевлогенов в онкологии. Даже силами целого научного коллектива возможно создание весьма ограниченного обзора (относительно всего научного сообщества). Несомненное преимущество для работы с большими данными (BIG DATA) имеют методы in silico (компьютерное моделирование). В результате возможно получить согласованное описание (онтологию) псевдогенов в качестве исчерпывающего источника информации для различных целей.

Адреногенитальный синдром


Адреногенитальный синдром — это генетическое заболевание с аутосомно-рецессивным типом наследования, в основе которого лежит дефект одного из ферментов или транспортных белков, принимающих участие в биосинтезе кортизола в коре надпочечников. На сегодняшний день известно 7 форм адреногенитального синдрома (АГС), или врожденной дисфункции коры надпочечников (ВДКН), в зависимости от типа ферментативного дефицита:

  1. Дефект STAR;
  2. Дефицит 20,22-десмолазы (11α-гидроксилазы);
  3. Дефицит 17α-гидроксилазы/17,20-лиазы;
  4. Дефицит 3β-гидроксистероиддегидрогеназы;
  5. Дефицит 21-гидроксилазы;
  6. Дефицит 11β-гидроксилазы;
  7. Дефицит оксидоредуктазы.

Инициирующим звеном в патогенезе адреногенитального синдрома являются мутации гена, кодирующего стероид-21-гидроксилазу (CYP21, CYP21B, CYP21A2), и гомологичного ему псевдогена (CYP21P, CYP21A, CYP21A1P), которые локализованы в HLA-комплексе между локусами HLA-B и HLA-DR на коротком плече 6-й хромосомы (6р21.3). За счет особенностей организации высокогомологичных генов это приводит к частым рекомбинациям между ними. Большинство описанных мутаций (90-95 %) в свою очередь ведут к 21-гидроксилазной недостаточности и являются результатом двух типов рекомбинаций между геном CYP21 и псевдогеном CYP21P. Первый механизм — неравный кроссинговер во время мейоза, приводящий к частичной делеции гена CYP21 и замещению большого фрагмента гена CYP21 аналогичным фрагментом псевдогена CYP21P. Второй механизм — генная конверсия, включающая в себя точечные мутации, обычно присутствующие в псевдогене CYP21P, в активный ген CYP21.

Недостаточность фермента 21-гидроксилазы вызывает нарушение синтеза кортизола, что по механизму отрицательной обратной связи стимулирует корковый слой надпочечников и приводит к его гиперплазии. В то же время данный ферментативный блок служит причиной чрезмерного накопления предшественников кортизола и андрогенов. Схема патогенеза ВДКН представлена ниже.

В клинической картине адреногенитального синдрома выделяют два ведущих симптома. Это, во-первых, надпочечниковая недостаточность из-за сниженного синтеза кортизола и альдостерона, а во-вторых — гиперандрогения из-за повышенной продукции половых стероидов. На основании уровня активности фермента 21-гидроксилазы выделяют две классические формы АГС: сольтеряющую и вирильную.

Для сольтеряющей формы АГС характерен дефицит как минералокортикоидов, так и глюкокортикоидов. При этом отсутствие компенсаторных реакций может привести к сольтеряющему кризу, обусловленному снижением реабсорбции натрия в канальцах почки, а также снижением ОЦК и АД, что приводит к резко выраженному обезвоживанию уже в первые дни после рождения.

При вирильной форме АГС снижается только синтез кортизола, что проявляется мышечной слабостью, повышенной утомляемостью и потемнением кожных покровов на фоне симптомов гиперандрогении.

Для женщин с гиперандрогенией при классической форме дефицита 21-гидроксилазы характерна вирилизация наружных половых органов, аменорея, выраженная алопеция и гирсутизм. При несвоевременной диагностике пациентки с женским кариотипом могут иметь мужской фенотип. У мужчин данный синдром проявляется бесплодием и акне средней и тяжелой степени тяжести.

Также выделяют неклассическую форму АГС, второе ее название — постпубертатная. Она имеет наиболее благоприятный прогноз, при этом специфические клинические симптомы отсутствуют. Как правило, синдром дебютирует в пубертатном возрасте или после перенесенной стрессовой нагрузки, такой как беременность, выкидыш на раннем сроке, медицинский аборт и др. У женщин эта форма проявляется в виде угревой сыпи, позднего наступления менархе (15-16 лет). При этом цикл неустойчив, интервалы могут достигать до 45 дней и более. Менструальные выделения скудные, молочные железы слабо развиты. Чем позже дебютирует заболевание, тем меньше выражены фенотипические проявления этого синдрома.

Основным осложнением АГС является бесплодие, и, чем раньше произошла манифестация заболевания, тем меньше вероятность беременности в будущем. При неклассической форме заболевания на ранних сроках беременности возникают самопроизвольные выкидыши, а во время родов возможно развитие истмико-цервикальной недостаточности.

Диагностика осуществляется лабораторными и инструментальными методами.

Уровень 17-ОН-прогестерона. Высокая концентрация 17-гидроксипрогестерона, являющегося предшественником кортизола — ключевой признак недостаточности 21-гидроксилазы.

Содержание андростендиона в сыворотке крови. Повышенные показатели этого высокоспецифичного маркера подтверждают усиленную секрецию предшественников мужских половых гормонов.

Уровень АКТГ в крови. Для классических форм заболевания характерна компенсаторная гиперсекреция адренокортикотропного гормона передней долей гипофиза.

УЗИ яичников. В корковом веществе определяются фолликулы на разных стадиях созревания, не достигающие преовуляторных размеров.

Молекулярно-генетическая диагностика. Исследование гена CYP21 и определение его мутаций, что позволяет определить форму заболевания и прогноз течения синдрома, а также вероятность рождения больного ребенка.

Для сольтеряющего варианта АГС характерна повышенная концентрация ренина в плазме крови.

Псевдогены

Псевдогены - это неработающие, "молчащие" гены, которые возникают в результате мутаций, выводящих нормальные "рабочие" гены из строя (существуют и другие, более редкие пути возникновения псевдогенов). Псевдогены представляют собой настоящие "генетическиерудименты". Если мутация выведет из строя ген, полезный для организма, она почти наверняка будет отсеяна отбором. Однако некоторые гены, в прошлом полезные, могут стать ненужными, например, из-за смены образа жизни. Мутация, выводящая из строя такой ген, не отсеивается отбором и может закрепиться в популяции. Псевдогены могут долго сохраняться в геноме в качестве ненужного "балласта". Мутации, которые в дальнейшем будут происходить в псевдогене, безразличны для выживания организма, и поэтому такие мутации свободно накапливаются и в конце концов могут изменить псевдоген до неузнаваемости. Однако на это уходит обычно много времени (десятки или даже сотни миллионов лет). Поэтому в геномах большинства организмов, включая человека, псевдогены на той или иной стадии мутационной деградации присутствуют в больших количествах. Псевдогены представляют собой своеобразную "историческую хронику", рассказывающую об образе жизни и адаптациях далеких предков изучаемого организма.

Например, в геноме человека в псевдогены превратились многие гены обонятельных рецепторов. Это и понятно, поскольку обоняние не имело существенного значения для выживания людей в историческое время, и, по-видимому, в доисторическое тоже (подробнее см. в заметке: Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе).

Ярким доказательством эволюции является присутствие одинаковых псевдогенов в одних и тех же местах генома у видов, произошедших сравнительно недавно от общего предка. Так, у человека есть псевдоген GULO, который представляет собой "сломанный" ген ферментаглюконо-лактон-оксидазы. Этот фермент необходим для синтеза аскорбиновой кислоты. У других приматов обнаружен точно такой же псевдоген, причем мутационная "поломка", нарушившая работу гена, у него такая же, как и в человеческом псевдогене. Причины очевидны: в связи с переходом предков современных приматов к питанию растительной пищей, богатой витамином C, данный ген перестал быть необходимым для выживания. Мутация, испортившая ген, не была отсеяна отбором, закрепилась и была унаследована обезьянами и человеком. У других млекопитающих (например, у крысы) GULO является не псевдогеном, а работающим геном, и поэтому крысам не нужно получать витамин C с пищей: они синтезируют его сами. В других группах млекопитающих, которые независимо от приматов перешли к питанию пищей, богатой витамином С, тоже произошла псевдогенизация гена GULO, но мутации, выведшие ген из строя, у них были другие (пример - морские свинки).

Еще один пример: у млекопитающих есть три гена, которые у птиц и рептилий отвечают за производство белка вителлогенина, который входит в состав желтка в яйце. Почти у всех млекопитающих эти три гена - "мертвые", псевдогенизированные. Только яйцекладущие однопроходные звери (утконос, ехидна) синтезируют вителлогенин. У однопроходных из трех генов вителлогенина "мертвы" только два, а третий сохранил функциональность. Между прочим, хотя у плацентарных мелкопитающих желток не образуется, в ходе эмбриогенеза развивается рудиментарный желточный мешок (наполненный жидкостью), присоединенный к кишечнику зародыша. На втором месяце беременности у человека желточный мешок отделяется от эмбриона.

Подробнее о доказательствах эволюции, предоставляемых псевдогенами, см.: Sean D. Pitman. Pseudogenes.

См. также: Ф. Коллинз. "Расшифровка божественных чертежей" (Глава из книги Фрэнсиса Коллинза "Доказательство Бога. Аргументы ученого". 2008). Полный текст книги в формате djvu. Ф.Коллинз - крупный американский генетик, руководитель проекта "Геном человека". В книге "Доказательство Бога" он приводит генетические аргументы в пользу эволюции и обосновывает свою точку зрения о том, что современная эволюционная биология, как и наука в целом, не противоречат христианству.

Читайте также: