A ORIGEM DE NOVOS GENES E PSEUDOGENES

A formação de novos genes é a principal força motriz da evolução em todos os organismos. Como exatamente esses novos genes surgem no genoma de um organismo e o que deve ocorrer para que eles possam ser passados?

By: Chitra Chandrasekaran, Ph.D. (Texas Wesleyan University) & Esther Betrán, Ph.D. (Department of Biology, University of Texas, Arlington, TX) © 2008 Nature Education.
Citation: Chandrasekaran , C. & Betrán , E. (2008) Origins of new genes and pseudogenes. Nature Education 1(1):181

dna

A origem de novos genes é uma força motriz da inovação evolutiva em todos os organismos. Uma recente pesquisa tem focado na identificação dos mecanismos que geram novos genes, e os cientistas descobriram que esses mecanismos envolvem uma variedade de eventos moleculares, os quais devem ocorrer na linha germinal para ser herdada pela próxima geração. Após o evento mutacional da linha germinal, o novo gene (por exemplo, um novo gene duplicado localizado no cromossoma humano 2) irá sofrer polimorfismos na população; em outras palavras, nem todas os segundos cromossomos na população irão transportar a duplicação. Posteriormente, os dois resultados mais prováveis para o novo gene é a fixação (isto é, o novo gene irá chegar a uma frequência de 100%) ou de extinção (ou seja, os novos genes serão perdidos).

O conhecimento atual sobre a origem dos novos genes engloba informações sobre ambos os genes codificadores de proteínas e genes de RNA. Todos estes genes são transcritos, mas somente os genes de codificação são traduzidos em proteínas. O estudo de pseudogenes, inicialmente definido como sequências que se assemelham genes conhecidos, mas não podem produzir uma proteína funcional, revelou não só a frequência com que genes se degeneram, mas também que muitas sequências que já se acreditou ser genes codificadores degenerados de proteínas estão em genes de RNA funcionais de fato.

Mecanismos de geração de novos genes.

Ao longo dos anos, os cientistas têm proposto diversos mecanismos através dos quais são gerados novos genes. Eles incluem a duplicação de genes, domesticação transposicional de elementos proteicos, transferência lateral de genes, fusão de genes, fissão de genes e originação de novos genes.

Duplicação de gene

A duplicação foi o primeiro mecanismo de geração de gene a ser sugerido (Ohno, 1970), e este processo, de fato, parece ser a forma mais comum de criação de novos genes. Duplicações são tipicamente classificadas de acordo com o tamanho da porção do genoma que é duplicado; assim, uma duplicação pode ser descrita como envolvendo um genoma inteiro, grandes segmentos de um genoma, genes individuais, exons individuais, ou mesmo partes específicas de exons (Betran & Long, 2002). Os mecanismos que geram genes duplicados são diversos, e mais detalhes sobre esses mecanismos estão continuamente sendo descobertos. Estes mecanismos incluem duplicações em todo o genoma não-disjunções, duplicações através do cruzamento desigual, retroposições originadas através da retrotranscrição de um RNA intermediário, transposições envolvendo elementos transponíveis (Jiang et al, 2004;.. Morgante et al, 2005), e duplicações ocorrendo após rearranjos e posteriores reparações de quebras alternadas (Ranz et al., 2007). Tais duplicações envolvem não apenas a genes codificadores de proteínas, mas também genes não codificantes de RNA. Por exemplo, uma nova classe de retro-duplicações incluem RNAsno, que são uma classe de RNA de genes que estão envolvidos no processamento do RNA ribossomal (Weber, 2006).

Boa parte da agitação atual sobre a duplicação de genes decorre do fato de que, com o número de genomas seqüenciados agora disponível, os pesquisadores têm estimativas mais precisas de como muitas vezes genes são duplicados, e estas taxas são extremamente elevadas. Por exemplo, há mais de 100 genes no genoma humano que foram duplicados por 1 milhão de anos (Hahn et al., 2007a). Isto significa que a percentagem do genoma afetada por diferenças numéricas do gene (estimado em 6%) contribui mais para as diferenças entre humanos e chimpanzés do que as diferenças entre as sequências de nucleótidos simples (ortólogos estimado para ser igual a 1,5% [, 2006 Demuth et al. ]). Altas taxas (17 genes por 1 milhão de anos) também foram estimadas em moscas (Hahn et al., 2007b). Uma excitação adicional vem da percepção de que as duplicações ocorrem com tanta frequência que os indivíduos de uma mesma espécie diferem muito no conteúdo de DNA e no número de genes (ou seja, muitas duplicações são polimórficas e contribuem para as diferenças individuais [Sebat et al., 2004]). Estima-se que, em média, dois humanos diferem por aproximadamente 5 megabases de informação.

Inesperadamente, várias tendências de duplicação foram descritas em genomas que dizem respeito à evolução cromossômica sexual. Muitos novos genes masculinos são originários do cromossomo Y da espécie. Alguns destes genes masculinos estão organizados em famílias que se submetem a conversão do gene para evitar a degeneração do cromossomo Y. Os genes da linha germinal do sexo masculino também podem duplicar para fora do cromossomo X, através de retroposição (Betran et al, 2002;.. Emerson et ai, 2004;. Lahn et al, 2001;. Rozen et ai, 2003). Estes resultados revelam muito sobre a localização genômica e a organização para a origem e função de genes.

Elementos transponíveis

Elementos transponíveis (ETs) são chamados segmentos “egoístas” de DNA que codificam proteínas que permitem que esses segmentos copiem ou movam-se dentro de um genoma. Existem dois tipos de ETs: transpósons de DNA e retrotransposons. Transposons de DNA são capazes de extirpar-se fora do genoma e ser inserido em outro lugar, enquanto retrotransposons copiam a si mesmos através de um intermediário de RNA. Semelhante às inserções virais no genoma, inserções de ETs causam mutações e contribuem para o aumento do tamanho do genoma, mas geralmente não codificam proteínas celulares.

Curiosamente, um caminho para um genoma adquirir novos genes é através do recrutamento de proteínas de elementos transponíveis e usá-las como proteínas celulares. Tais eventos são chamados domesticações de proteínas de ETs. Uma revisão recente feita por Fechotte e Pritham (2007) compilou muitos exemplos destes eventos, e revelou que algumas das funções inesperadas em que as proteínas de ETs domesticados desempenham papeis que incluem o funcionamento do sistema imunológico dos vertebrados e a detecção de luz nas plantas. Vários exemplos de domesticação também foram descritos em Drosophila (Casola et al., 2007). Num caso, foi observada co-domesticação das duas proteínas codificadas pelos ETs PIF/Harbinger foram observadas. Neste exemplo fascinante, os dois genes que dos ETs originais foram domesticados simultaneamente; um destes genes codifica uma transposase que se liga e corta o DNA, enquanto que o outro codifica uma proteína que contém um domínio Myb/SANT que parede funcionar na transcrição, remodelação da cromatina e nas interações proteína-proteína. São necessários mais dados para revelar se ambas as proteínas foram domesticadas para funcionar no mesmo processo biológico.

Transferência de Gene Lateral

Os cientistas usam o termo “transferência lateral de genes” para se referir ao caso em que um gene não tem uma origem vertical (isto é, uma herança direta de pais para filhos), mas em vez disso, vem de um genoma não relacionado. É bem sabido que este tipo de transferência ocorre entre as bactérias, e que também tenha ocorrido entre os genomas de organelas celulares (mitocôndrias e cloroplastos) e os genomas nucleares (Roger, 1999). No entanto, eventos de transferência mais recentes entre organelas e/ou bactérias endossimbioses continuam a ocorrer (Bergthorsson et al, 2003;.. Hotopp et al, 2007). Por exemplo, os esforços de sequenciação em grande escala revelaram que a maior parte do genoma do endossimbionte intracelular Wolbachia pipentis foi integrado em espécies de Drosophila (Hotopp et al., 2007). No entanto, o mecanismo para estas transferências permanece em grande parte desconhecido, e as conseqüências funcionais de algumas dessas transferências ainda não foram exploradas.

Fusão e fissão de genes

Genes existentes podem também se fundir (isto é, dois ou mais genes podem tornar-se parte da mesma transcrição) ou submeter-se a cisão (isto é, um único transcrito pode quebrar em dois ou mais transcritos separados), formando-se assim novos genes. Curiosamente, tem sido observado que a fusão de genes quiméricos vezes envolve duas cópias do mesmo gene (por exemplo, o gene da álcool desidrogenase em Drosophila), e quando isso acontece, os genes resultantes são submetidos a evolução paralela (Jones & Begun, 2005), em que eles se afastar das funções de seus genes parentais.

Mecanismos de romance originação gene. Os painéis A e B mostram exemplos de novo origem gene que envolvem uma combinação de vários mecanismos moleculares e eventos. O painel A ilustra os vários mecanismos que deram origem ao gene Jingwei, incluindo duas duplicações do gene ancestral Imperador Amarelo para formar o gene iandé, retroposição do gene Adh em iandé e exão baralhar (recombinação) entre iandé e Adh para formar Jingwei . Painel B ilustra a origem do gene SETMAR primata quimérico. Aqui, o transposão Hsmar1 (barra vermelha) foi inserido no gene preexistente SET (barra de cor de rosa), e em seguida um novo exão (barra verde) e o intrão foram formados de novo a partir de regiões não codificadoras previamente. (A) © 2008 Nature Publishing Group. Longo, M. et al. A origem dos novos genes: vislumbres do novo e velho. Nature Reviews Genetics 4, 865-875 (2003). Todos os direitos reservados; (B) © 2006 Academia Nacional de Ciências dos EUA. Cordaux, R. et al. Nascimento de um gene quimérico primata pela captura do gene transposase a partir de um elemento móvel. PNAS 103, 8101-8106 (2006).

Mecanismos de criação de gene. Os painéis A e B mostram exemplos como um gene surge, e isso envolve uma combinação de vários mecanismos moleculares e eventos. O painel A ilustra os vários mecanismos que deram origem ao gene Jingwei, incluindo duas duplicações do gene ancestral Imperador Yellow emperor para formar o gene Yande, retroposição do gene Adh em Yande e o embaralhamento exônico (recombinação) entre Yande e Adh para formar Jingwei . Painel B ilustra a origem do gene SETMAR, uma quimérico primata. Aqui, o transposon Hsmar1 (barra vermelha) foi inserido no gene preexistente SET (barra de cor de rosa), e em seguida um novo exon (barra verde) e um íntron foram formados a partir de regiões não codificadoras previamente.
(A) © 2008 Nature Publishing Group. Longo, M. et al. A origem dos novos genes: vislumbres do novo e velho. Nature Reviews Genetics 4, 865-875 (2003). (B) © 2006 Academia Nacional de Ciências dos EUA. Cordaux, R. et al. Nascimento de um gene quimérico primata pela captura do gene transposase a partir de um elemento móvel. PNAS 103, 8101-8106 (2006).

A origem de Genes

Novos genes podem, adicionalmente, se originar a partir de regiões de DNA não-codificantes. De fato, vários genes novos derivados de DNA não-codificantes que recentemente têm sido descritos em Drosophila (Begun et al, 2007;.. Levine et ai, 2006). Para estes genes recentemente criados em Drosophila há prováveis habilidades de codificação de proteínas, não há homólogos em qualquer outra espécie. Nota-se, no entanto, que os genes novos descritos em várias espécies incluem, até agora tanto proteínas de codificação e proteínas de genes não-codificantes. Estes novos genes, por vezes, se originam no cromossomo X, e que muitas vezes têm funções germinativas masculinas.

A ação de todos os mecanismos descritos nas seções anteriores conduz a um embaralhamento exônico (isto é, a observação de que muitos genes dividem exons) (Gilbert et al., 1997; Li et al., 2001). Além disso, análises de genes “jovens” (genes que originaram apenas a alguns milhões de anos atrás) permitiu que os investigadores documentar todos os eventos que deram origem a esses genes, porque o tempo não tem corroído as pegadas destes eventos. Usando esta abordagem, foi inferido que as combinações de vários mecanismos e vários eventos são muitas vezes responsáveis pela geração de novos genes (Betran & Long, 2002). Dois bons exemplos disso são o gene Jingwei (Long & Langley, 1993) e o gene SETMAR (Cordaux et al, 2006;. Figura 1).

O que acontece com novos genes?

Todas estas novas sequências aumentam a complexidade e diversidade de genomas. Como acontece com qualquer mutação, quando novos genes se fixam em um genoma, acrescentam-se às diferenças entre as espécies e servir como matéria-prima para a evolução (Ohno, 1970). Isso é fácil de ver, no caso de duplicação de genes. A duplicação de genes resulta em duas ou mais cópias de um gene: um que pode manter a sua função original no organismo, e outra(s) que pode ser “conduzida” a assumir novas funções. Como consequência, novas duplicatas são a principal fonte de inovação genoma e muitas vezes evoluem sob seleção positiva, em que as rápidas mudanças na proteína codificada pelo gene novo ganham uma nova função (Presgraves, 2005). Este processo é referido como neo-funcionalização do novo gene.

Outros resultados possíveis após a duplicação incluem a perda do gene, ou seja, pseudogenização; manutenção de ambos os genes, como forma de aumentar a expressão ou a manter múltiplas variantes dentro dos indivíduos (essencialmente “fixação” heterozigosidade); ou a ocorrência de subfuncionalização (ou seja, a ocorrência de mutações inibitórias que mutuamente complementam as neutras de tal modo que ambos os genes precisam ser mantidos no genoma [Lynch & Force, 2000]). Subfuncionalização é um fenômeno interessante porque começa com uma partição de função, mas pode definir aspectos ligados a especialização (Torgerson & Singh, 2004). Alguns resultados mistos (tais como subfuncionalização seguido por neo-functionalização e sub-neofunctionalização) também são possíveis (He e Zhang, 2005).

Uma consequência inesperada da duplicação, e da perda de genes é que esses eventos podem se tornar a base para algumas incompatibilidades entre as espécies. Duplicações e perdas demonstraram desempenhar um papel na degradação híbrido e na aptidão reduzida dos descendentes de cruzamentos entre as populações geneticamente diferenciadas. Assim, estes processos podem contribuir para o processo de especiação (Masly et al., 2006).

produção mediada por pseudogene endógenos de pequenos RNAs interferentes (endo-siRNAs) (A) Pseudogenes pode surgir através da cópia de um gene-pai, por duplicação ou por retrotransposição. Um transcrito anti-sentido do pseudogene e um transcrito de ARNm do seu gene pai pode então formar um RNA de cadeia dupla. (B) endo-siRNAs pseudogenico também pode surgir por meio de cópia do gene pai (como no painel a) seguido de duplicação e inversão desta cópia nas proximidades. A transcrição subsequente de ambas as cópias resulta em um longo RNA, que se dobra, e como uma metade desta molécula é complementar a outra metade. Em ambos os paineis e o painel b, o RNA de cadeia dupla é cortado por Dicer em 21-endo-siRNAs de nucleotídeos, que são guiados pelo complexo RISC para interagir e degradar os transcritos de RNAm do gene pai. O RNAm de genes é a vermelho e pseudogenes do que é em azul. As setas verdes indicam rearranjos de DNA. © 2008 Nature Publishing Group Sasidharan, R. et al. Genomics: fósseis de proteína viver como RNA. Nature 453, 729 (2008).

Produção de pseudogenes endógenos mediada por pequenos RNAs interferentes (endo-siRNAs) (A) Pseudogenes pode surgir através da cópia de um gene-pai, por duplicação ou por retrotransposição. Um transcrito anti-sentido do pseudogene e um transcrito de ARNm do seu gene pai pode então formar um RNA de cadeia dupla. (B) endo-siRNAs pseudogenico também pode surgir por meio de cópia do gene pai (como no painel a) seguido de duplicação e inversão desta cópia nas proximidades. A transcrição subsequente de ambas as cópias resulta em um longo RNA, que se dobra, e como uma metade desta molécula é complementar a outra metade. Em ambos os paineis e o painel b, o RNA de cadeia dupla é cortado por Dicer em 21-endo-siRNAs de nucleotídeos, que são guiados pelo complexo RISC para interagir e degradar os transcritos de RNAm do gene pai. O RNAm de genes é a vermelho e pseudogenes do que é em azul. As setas verdes indicam rearranjos de DNA.
© 2008 Nature Publishing Group Sasidharan, R. et al. Genomics: fósseis de proteína viver como RNA. Nature 453, 729 (2008).

A Origem e Destino de Pseudogenes

Como mencionado anteriormente, os pseudogenes são geralmente definidos como sequências que se assemelham a genes conhecidos mas não podem produzir proteínas funcionais. Pseudogenes originam através dos mesmos mecanismos que genes codificadores de proteínas, seguido pela subsequente acumulação de mutações inibitórias (por exemplo, inserções, deleções de nucleotídeos, e/ou substituições) que interrompem a estrutura de leitura ou levam à inserção de um códon de paragem prematuro. Pseudogenes podem ser genericamente classificados em duas categorias: processado e não-processado. Pseudogenes não-processados geralmente contêm íntrons, e eles geralmente estão localizados ao lado de seu gene pai parálogo. Pseudogenes processados, se originam através de retrotransposição; consequentemente, eles não têm íntrons e nem região promotora, mas contêm muitas vezes um sinal de poliadenilação e são flanqueados por repetições diretas. Os erros na transcrição reversa e a falta de um ambiente de regulação apropriado, muitas vezes levar à degeneração de cópias de genes processáveis (D’Errico et al., 2004).

A abundância de pseudogenes em um determinado genoma geralmente depende de taxas de duplicação de genes, e de perdas. Mamíferos parecem ter um elevado número de degens processáveis, aproximadamente 8 mil pseudogenes (Zhang et al, 2003;.. Zhang et al, 2004). Por outro lado, a maioria dos outros organismos têm muito menos alguns; por exemplo, em Drosophila, apenas 20 retro-pseudogenes são detectáveis (Harrison et al., 2003). Este padrão tem sido explicado pela deleção que existe em Drosophilas; de fato, depois de estudar a distribuição de tamanho de deleções em Drosophila e mamíferos, os investigadores concluíram que as supressões em Drosophila são muito maiores (Petrov & Hartl, 2000).

A descoberta do pseudogene mais interessante até agora é que os genes codificadores de proteínas degeneradas e que tem “vivido” como genes de RNA (Sasidharan & Gerstein, 2008). Embora pesquisadores já tivessem provado que os pseudogenes podem ser transcritas (. Harrison et al, 2005), apenas recentemente percebeu-se que estas sequências podem regular os genes parentais através siRNAs; evidência desse fenômeno foi encontrado em ambos,  moscas e mamíferos (Figura 2; Sasidharan & Gerstein, 2008). Além disso, alguns pseudogenes processados parecem ter evoluído em genes microRNA de primatas (Devor, 2006).

É claro, os genomas permanecem cheio de surpresas. O trabalho adicional continuará a revelar ainda mais sobre o potencial funcional de muitas sequências novas de DNA.

Fonte: Nature Education

6 thoughts on “A ORIGEM DE NOVOS GENES E PSEUDOGENES

      • Qualquer proteína NOVA, sem homólogos, que seja funcional e execute alguma função não executada pelas outras dezenas de milhares de proteínas existentes.

        Os adeptos da teoria de Darwin adoram apontar para qualquer trecho similar entre componentes pertencentes a organismos diferentes e alegar que isso evidencia a evolução!

        Mas demonstrar a evolução, o processo em etapas plausíveis e verossímeis, que é bom, nada.

      • Quando demonstramos como espécies do mesmo gênero surgem vcs pedem que bactérias virem elefantes.
        Quando souberem a diferença entre evolução e saltacionismo ai poderemos ter uma conversa de gente grande.😉

    • “Quando souberem a diferença entre evolução e saltacionismo ai poderemos ter uma conversa de gente grande.”

      Primeiro, os próprios defensores da evolução terão de chegar a um veredicto sobre isso:

      “There are still some big unanswered questions about evolution, such as “how major evolutionary changes take place,” said Austin Hughes of the University of South Carolina who, like Lenski, was not involved in the work. “It relates to the old debates going way back between gradualism and saltation,” Hughes said. That is, whether evolution occurs in small steps or giant leaps.
      Another question is whether evolution can ever be—even remotely—predictable, said study coauthor Louise Johnson of the University of Reading in the U.K. “The received wisdom has always been that evolution is sort of tinkering and not necessarily finding a good path,” said Johnson, “so it’s often thought that the direction evolution is going to choose is going to be highly random.”” http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/42284/title/Evolutionary-Rewiring/

      • O veredicto já foi dado; saltacionismo e evolução são coisas completamente distintas.
        Darwin usou a frase de Aristoteles para expressar isso “Natura non facit saltus”. Não vejo artigos de pesquisadores dizendo que bactérias viraram elefantes. O que vejo é artigos e livros dizendo que bactérias e elefantes tem os maquinários bioquímicos, ou estruturas moleculares e genes que são homólogos” (Infinitas formas de grande beleza. Sean b. Carroll, 2006). Quando olhamos nos suspostos grupos que estão entre bactérias e elefantes vemos tanto do ponto de vista genético, molecular, comportamental, fósseis, cariotipos de diversos grupos biológicos que estão entre bactérias e elefantes que pintam um quadro bem claro e específico de relacionamento histórico.
        Se o processo é gradual, não vejo porque criacionistas insistem em pedir fósseis meio peixe meio sapo, meio dino meio ave, meio tricoptero meio mariposa, meio rato meio baleia. Se o processo é gradual nem precisamos olhar no nível da espécie mas nas gerações de todas as espécies (especificamente as da linhagem) que existem entre os dois grupos biológicos analisados,afinal, cada geração pode conter e transmitir pequenas variações. Essa é a descendência com modificação ocorrendo ao longo de gerações e não de espécies. Pedir “elos meio a meio” se torna um atestado de que a pessoa não sabe sobre o que esta falando, ou não entendeu a proposta da evolução como de fato ela se apresenta.

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