Neofunktionalisering - Neofunctionalization
Neofunktionalisering , et af de mulige resultater af funktionel divergens , opstår, når en genkopi eller paralog påtager sig en helt ny funktion efter en genduplikering . Neofunktionalisering er en adaptiv mutationsproces; hvilket betyder, at en af genkopierne skal mutere for at udvikle en funktion, der ikke var til stede i det forfædre gen. Med andre ord bevarer den ene af dubletterne sin oprindelige funktion, mens den anden akkumulerer molekylære ændringer, så den med tiden kan udføre en anden opgave.
Processen
Processen med Neofunctionalization begynder med en genduplikation begivenhed, som menes at forekomme som en forsvarsmekanisme mod ansamling af skadelige mutationer. Efter genduplikationsbegivenheden er der to identiske kopier af det forfædre gen, der udfører nøjagtig den samme funktion. Denne redundans gør det muligt for kopierne at få en ny funktion. I tilfælde af at den nye funktion er fordelagtig, vælger naturlig selektion positivt den, og den nye mutation bliver fast i befolkningen. Forekomsten af neofunktionalisering kan oftest tilskrives ændringer i den kodende region eller ændringer i de regulatoriske elementer i et gen. Det er meget mere sjældent at se store ændringer i proteinfunktion, såsom underenhedsstruktur eller substrat og ligandaffinitet, som et resultat af Neofunktionalisering.
Selektive begrænsninger
Neofunktionalisering omtales også almindeligvis som "mutation under ikke-funktionalitet" eller "mutation under redundans". Uanset om mutationen opstår efter ikke-funktionalitet af et gen eller på grund af redundante genkopier, er det vigtige aspekt, at i begge scenarier frigives en kopi af det duplikerede gen fra selektive begrænsninger og tilfældigt får en ny funktion, som derefter forbedres ved naturligt udvalg. Denne proces menes at forekomme meget sjældent i evolutionen af to hovedårsager. Den første grund er, at funktionelle ændringer typisk kræver et stort antal aminosyreændringer; som har en lav sandsynlighed for forekomst. For det andet fordi skadelige mutationer forekommer meget oftere end fordelagtige mutationer i evolutionen. Dette gør sandsynligheden for, at genfunktion går tabt over tid (dvs. pseudogenisering) langt større end sandsynligheden for fremkomsten af en ny genfunktion. Walsh opdagede, at den relative sandsynlighed for neofunktionalisering bestemmes af den selektive fordel og den relative hastighed af fordelagtige mutationer. Dette blev bevist i hans afledning af den relative sandsynlighed for Neofunktionalisering til pseudogenisering, som er givet ved: hvor ρ er forholdet mellem fordelagtig mutationsrate og null mutationsrate og S er populationsvalget 4NeS (Ne: effektiv populationsstørrelse S: selektionsintensitet ).
Klassisk model
I 1936 foreslog Muller oprindeligt Neofunctionalization som et muligt resultat af en gentagelse. I 1970 foreslog Ohno, at Neofunktionalisering var den eneste evolutionære mekanisme, der gav anledning til nye genfunktioner i en befolkning. Han mente også, at Neofunktionalisering var det eneste alternativ til pseudogenisering. Ohta (1987) var blandt de første, der antydede, at der kan eksistere andre mekanismer til bevarelse af duplikerede gener i befolkningen. I dag er subfunktionalisering en bredt accepteret alternativ fiksationsproces for genduplikater i befolkningen og er i øjeblikket det eneste andre mulige resultat af funktionel divergens.
Neosubfunktionalisering
Neosubfunktionalisering opstår, når Neofunktionalisering er slutresultatet af subfunktionalisering . Med andre ord, når der først sker en genduplikationshændelse, der danner parologer, der efter en evolutionær periode subfunktionaliserer, fortsætter en genkopi på denne evolutionære rejse og akkumulerer mutationer, der giver anledning til en ny funktion. Nogle mener, at Neofunktionalisering er slutfasen for alle subfunktionaliserede gener. For eksempel ifølge Rastogi og Liberles "Neofunktionalisering er den endelige skæbne for alle duplikatgenkopier, der bevares i genomet, og subfuctionlisering eksisterer blot som en forbigående tilstand for at bevare den dobbelte genkopi." Resultaterne af deres undersøgelse bliver punkteret, efterhånden som befolkningens størrelse stiger.
Eksempler
Udviklingen af frostvæskeproteinet i den antarktiske zoarcidfisk L. dearborni er et glimrende eksempel på Neofunktionalisering efter gentuplikation. I tilfælde af Antarctic zoarcid fisk type III frostvæskeproteingen (AFPIII; P12102 ) afviger fra en paralog kopi af sialinsyresyntase (SAS) -gen. Det forfædre SAS-gen viste sig at have både sialinsyresyntase og rudimentære isbindende funktioner. Efter dobbeltarbejde begyndte en af paralogerne at akkumulere mutationer, der førte til udskiftning af SAS -domæner i genet, hvilket muliggjorde yderligere udvikling og optimering af frostvæskefunktionen. Det nye gen er nu i stand til ikke-kolligativ frysepunktsdepression og er derfor neofunktioneret. Denne specialisering giver Antarktis zoarcidfisk mulighed for at overleve i de kolde temperaturer i Antarktishavet.
Model begrænsninger
Begrænsninger findes i Neofunctionalization som model for funktionel divergens primært fordi:
- mængden af nukleotidændringer, der giver anledning til en ny funktion, skal være meget minimal; hvilket gør sandsynligheden for pseudogenisering meget højere end neofunktionalisering efter en genduplikering.
- Efter en genduplikationsbegivenhed kan begge kopier udsættes for selektivt tryk svarende til det, der begrænser det forfædre gen; hvilket betyder, at ingen af kopierne er tilgængelige til Neofunctionalization.
- I mange tilfælde præsenterer det positive darwinistiske udvalg en mere sparsom forklaring på multigene -familiers divergens.
