Mecanismos de aparición de genes

- Duplicación de dominios y alargamientos de genes.- Exon-shuffling- Genes quimera- Duplicación génica- Duplicación cromosómica - Duplicación genómica

Introducción

Se ha demostrado estudiando los genes “jóvenes” que las duplicaciones génicas son un enlace entre nuevas características biológicas y la evolución de las funciones de nuevas proteínas.

Lynch and Conery (2000) comentan que las duplicaciones no solo son frecuentes, sino que contribuyen de forma importante a la especiación y a las diferencias a nivel de especie.

Casi todos los genes pueden ser considerados una duplicación o quimera de genes más antiguos, y el origen de los nuevos genes tiene que haber sido importante en la adaptación.

Los resultados del proyecto del Genoma Humano han revelado que las duplicaciones segmentales son mucho más abundantes de lo esperado. El CNV tiene mucho peso en cuanto a variación intraespecífica en la especie humana.

Además los eventos de duplicación genómica no son raros. Se cree que el genoma de levadura se duplicó entero hace unos 100 millones de años.

Tema 2

• Evolución del tamaño de los genes

• Contenido– Introducción: mecanismos de amplificación y de apar ición de

nuevos genes– Duplicación Parcial de Genes – Barajamiento de exones/dominios (exon-shuffling)– Genes quimera

TAMA ÑO DEL GENOMA

TAMAÑO CELULAR

TASA METABOLICA

TAMAÑO CORPORAL

COMPLEJIDAD ORGANISMICA

DIVISIÓN CELULAR

TASA DE DESARROLLO

MUTACIONES CROMOSOMICAS

INSERCIONES DELECIONES

ELEMENTOS TRANSPONIBLES

DUPLICACIONES

OTROS MECANISMOS MOLECULARES

El ADN en la escala evolutiva

Los análisis permiten afirmar que en general a medida que se incrementa la complejidad funcional y estructural de los seres vivos se incrementa su contenido de ADN, habiendo excepciones a la regla

Especie con menor contenido en ADN de cada grupo taxonómico

Variación de la cantidad de ADN (pb) en diferentes grupos de especies

Grupo Taxonómico Especie Valor C (pb)

Algas Pyrenomas salina 6,6 x 105

Mycoplasma Mycoplasma pneumoniae 1,0 x 106

Bacterias Escherichia coli 4,2 x 106

Levaduras Saccharonyces cerevisiae 1,3 x 107

Hongos D. discoideum 5,4 x 107

Nematodos Caenorhabditis elegans 8,0 x 107

Insectos Drosophila melanogaster 1,4 x 108

Aves Gallus domesticus 1,2 x 109

Anfibios Xenopus laevis 3,1 x 109

Mamíferos Homo sapiens 3,3 x 109

Relaciones entre los distintos exones de un gen y los dominios proteícos.

Exon-suffling. Es la idea de que la recombinación, la inserción o la deleción de un exón o intrón puede producir nuevos genes •

• Cuatro tipos de exon-suffling- Recombinación - Duplicación- Deleción- Inserción

Exon-shuffling: pérdida de un intrón

• Evolución globinas : pérdida de intrones• en microbios (todos)• y 1, 2 o 3 en animales

protease

kringle (plasminogen)

epidermal growth factor

fibronectin type-1

Recombinación: tissue plasminogen activator evolves from four

unrelated genes

(from Graur & Li 2000)

Duplicación de dominios es el mecanismo m ás com ún de elongación de genes

Otros mecanismos de elongación: cambio de un codón de stop (o intron)o inserción...¿malos resultados?

Ejemplo de evolución por elongación de exones de la proteína del colágeno de aves

Evolución de exones duplicados: divergencia entre la partes de la duplicación

de un ancestro común, la parte variable de las inmunoglobulinas fija interactúa con el el antígenola parte constante otras funciones (estructurales).

Mecanismos más importantes de formación de duplicaciones exónicas.

(A) Entrecruzamiento desigual. (B) Retrotransposición.

B1 Via Interspersed Element CrossoverExon shuffling can occur double crossover between interspersed repeats

B 2Via DNA Transposons

B 3 Non-Viral RetrotransposonIf a LINE has a weak poly(A) signal, then sometimes transcription willcontinue and include an adjacent 3′ gene (eventually terminating at thatgene’s strong poly(A) signal). ORF2 then reverse-transcribes the RNA transcript of the LINE and gene, eventually inserting the gene at a newlocation along with the SINE in a phenomenon known as exon

Where do new genes come from?

An example : the antifreeze glycoprotein (AFGP) gene in the Antarctic fish, Dissostichus mawsoni

Motif multiplication and exon loss

Gene function may be altered through the multiplicationof motifs in an ancestral gene and/or loss of exons.

Notothenioid fish - live in verycold waters off Antarctica.

Avoid blood freezing; antifreeze glycoprotein (AFGP)genes - code for Thr-Ala-Ala repeat.

Antifreeze via motif multiplication

AFGP appears to be derived (via motif multip & exon loss) fromtrypsinogen gene; chimeric version in one sp. may be transitional.

Convergent evolution of an AFGP gene in the arctic cod, Boreogadus saida

Convergent evolution of an AFGP gene in the arctic cod, Boreogadus saida

• the AFGP gene in B. saida also has a Thr-Ala-Ala repeating motif!

• appears to have evolved independently because:

• 1. flanking regions show no homology to trypsinogen

• 2. different number and locations of introns

• 3. codons used in repeating unit are different

Gen Quimera

Chimeric genes can arise via exon shuffling or

retrotransposition.

Retrotransposition often results in pseudogenes- new gene, but non-functional

Under retrotransposition, mRNA transcribed to cDNA, which is then inserted into a gene (without introns).

Both Jingwei and Ymp are expressed in Drosophila

testes.

• Gen quimera: Hemoglobina Lepore (Gen quimera)

• Debido a que los locus de los genes de globina contienen grupos de genes similares existe el potencial para que haya un entrecruzamiento desigual entre las cromátides hermanas durante la meiosis. La generación de hemoglobina Gun Hill y hemoglobina Lepore son el resultado de eventos de entrecruzamientos desiguales. La Hemoglobina Gun Hill es el resultado de una deleción de 15 nucleótidos causados por el cruce desigual entre los codones 91–94 de un gen de β-globina y los codones 96–98 del otro. La generación de la hemoglobina Lepore resulta del cruce desigual entre δ-globina y los genes β-globina. El gen híbrido resultante δβ se llama Leporey el gen híbrido βδ se llama anti-Lepore. Según lo indicado anteriormente, el promotor del gen δ-globina es ineficiente así las consecuencias de este evento de entrecruzamiento desigual son tanto cualitativas como cuantitativas

Hb Lepore

• Anti-Lepore– βδ fusion gene

– Longer than the original

• Lepore

– δβ fusion gene– Shorter than the

original

Hb Kenya

• Anti-Kenya– β-Aγ fusion– (much)

longer than the original

• Kenya– Aγ- β fusion– (much)

shorter than the original