Neofunkcjonalizacja
Neofunkcjonalizacja , jeden z możliwych skutków dywergencji funkcjonalnej , występuje, gdy jedna kopia genu lub paralog przyjmuje zupełnie nową funkcję po zdarzeniu duplikacji genu . Neofunkcjonalizacja to adaptacyjny proces mutacji; co oznacza, że jedna z kopii genu musi zmutować, aby rozwinąć funkcję, której nie było w genie przodka. Innymi słowy, jeden z duplikatów zachowuje swoją pierwotną funkcję, podczas gdy drugi gromadzi zmiany molekularne, tak że z czasem może wykonywać inne zadanie.
Proces
Proces neofunkcjonalizacji rozpoczyna się od zdarzenia duplikacji genu , które uważa się za mechanizm obronny przed nagromadzeniem szkodliwych mutacji. Po zdarzeniu duplikacji genu istnieją dwie identyczne kopie genu przodka pełniącego dokładnie tę samą funkcję. Ta redundancja pozwala jednej kopii przyjąć nową funkcję. W przypadku, gdy nowa funkcja jest korzystna, dobór naturalny dokonuje pozytywnej selekcji i nowa mutacja zostaje utrwalona w populacji. Występowanie neofunkcjonalizacji można najczęściej przypisać zmianom w regionie kodującym lub zmianom w elementach regulatorowych genu. Znacznie rzadziej obserwuje się poważne zmiany w funkcji białka, takie jak struktura podjednostki lub powinowactwo substratu i ligandu, w wyniku neofunkcjonalizacji.
Ograniczenia selektywne
Neofunkcjonalizacja jest również powszechnie określana jako „mutacja podczas niefunkcjonalności” lub „mutacja podczas redundancji”. Niezależnie od tego, czy mutacja powstaje po niefunkcjonalności genu, czy z powodu zbędnych kopii genów, ważnym aspektem jest to, że w obu scenariuszach jedna kopia zduplikowanego genu zostaje uwolniona od ograniczeń selekcyjnych i przypadkowo uzyskuje nową funkcję, która jest następnie ulepszana przez dobór naturalny. Uważa się, że proces ten występuje bardzo rzadko w ewolucji z dwóch głównych powodów. Pierwszym powodem jest to, że zmiany funkcjonalne zazwyczaj wymagają dużej liczby zmian aminokwasów; co ma małe prawdopodobieństwo wystąpienia. Po drugie, ponieważ szkodliwe mutacje występują w ewolucji znacznie częściej niż mutacje korzystne. To sprawia, że prawdopodobieństwo utraty funkcji genu w czasie (tj. pseudogenizacji) jest znacznie większe niż prawdopodobieństwo pojawienia się nowej funkcji genu. Walsh odkrył, że względne prawdopodobieństwo neofunkcjonalizacji zależy od selektywnej przewagi i względnego wskaźnika korzystnych mutacji. Zostało to udowodnione w jego wyprowadzeniu względnego prawdopodobieństwa neofunkcjonalizacji do pseudogenizacji, które jest określone przez: \ S to selekcja populacji 4NeS (Ne: efektywna wielkość populacji S: intensywność selekcji).
Model klasyczny
W 1936 roku Muller pierwotnie zaproponował neofunkcjonalizację jako możliwy wynik zdarzenia duplikacji genu. W 1970 roku Ohno zasugerował, że neofunkcjonalizacja była jedynym mechanizmem ewolucyjnym, który doprowadził do powstania nowych funkcji genów w populacji. Uważał również, że neofunkcjonalizacja jest jedyną alternatywą dla pseudogenizacji. Ohta (1987) byli jednymi z pierwszych, którzy zasugerowali, że mogą istnieć inne mechanizmy zachowania zduplikowanych genów w populacji. Obecnie subfunkcjonalizacja jest powszechnie akceptowanym alternatywnym procesem utrwalania duplikatów genów w populacji i jest obecnie jedynym innym możliwym wynikiem dywergencji funkcjonalnej.
Neosubfunkcjonalizacja
Neofunkcjonalizacja występuje, gdy neofunkcjonalizacja jest końcowym wynikiem subfunkcjonalizacji . Innymi słowy, gdy zdarzy się duplikacja genu, tworząc parologi, które po okresie ewolucyjnym ulegają subfunkcjonalności, jedna kopia genu kontynuuje tę ewolucyjną podróż i gromadzi mutacje, które dają początek nowej funkcji. Niektórzy uważają, że neofunkcjonalizacja jest końcowym etapem wszystkich subfunkcjonalizowanych genów. Na przykład, według Rastogi i Liberles „Neofunkcjonalizacja jest końcowym losem wszystkich zduplikowanych kopii genów zatrzymanych w genomie, a subfukcjonalizacja istnieje jedynie jako stan przejściowy, aby zachować zduplikowaną kopię genu”. Wyniki ich badań stają się przerywane wraz ze wzrostem wielkości populacji.
Przykłady
Ewolucja białka przeciw zamarzaniu w antarktycznej rybie zoarcid L. Dearborni stanowi doskonały przykład neofunkcjonalizacji po duplikacji genów. W przypadku antarktycznej ryby zoarcidowej gen białka przeciw zamarzaniu typu III (AFPIII; ) oddzielił się od paralogicznej kopii genu syntazy kwasu sialowego (SAS). Stwierdzono, że przodek genu SAS ma zarówno syntazę kwasu sialowego, jak i podstawowe funkcje wiązania lodu. Po duplikacji jeden z paralogów zaczął gromadzić mutacje, które doprowadziły do zastąpienia domen SAS genu, co pozwoliło na dalszy rozwój i optymalizację funkcjonalności przeciw zamarzaniu. Nowy gen jest teraz zdolny do niekoligatywnej depresji punktu zamarzania, a zatem jest neofunkcjonalizowany. Ta specjalizacja pozwala antarktycznym rybom zoarcid przetrwać w mroźnych temperaturach mórz antarktycznych.
Ograniczenia modelu
Istnieją ograniczenia w neofunkcjonalizacji jako modelu rozbieżności funkcjonalnej głównie dlatego, że:
- ilość zmian nukleotydów prowadzących do powstania nowej funkcji musi być bardzo minimalna; czyniąc prawdopodobieństwo pseudogenizacji znacznie wyższym niż neofunkcjonalizacja po zdarzeniu duplikacji genu.
- Po zdarzeniu duplikacji genu obie kopie mogą zostać poddane presji selekcyjnej równoważnej presji ograniczającej gen przodka; co oznacza, że żadna kopia nie jest dostępna dla neofunkcjonalizacji.
- W wielu przypadkach pozytywna selekcja darwinowska przedstawia bardziej oszczędne wyjaśnienie rozbieżności rodzin wielogenowych.