Genes huérfanos

Los genes huérfanos ( Orphan gene u ORF ans, principalmente en la literatura sobre microbiología) [1] [2]  son ​​genes sin homólogos encontrados en otras ramas evolutivasinglés  [2] Los huérfanos son un subgrupo de genes restringidos taxonómicamente (TRG) que son únicos en un cierto nivel taxonómico (por ejemplo, para una planta en particular) [3] . A diferencia de los TRG no huérfanos, los huérfanos generalmente se consideran exclusivos de un taxón muy limitado , principalmente una especie.

El modelo clásico de evolución se basa en la duplicación, reordenamiento y mutación de genes con la idea de un origen común [4] [5] . Los genes huérfanos son distintos en el sentido de que son específicos del linaje sin antecedentes conocidos de duplicación y permutación comunes fuera de su especie o clado específico [6] . Los genes huérfanos pueden surgir a través de una variedad de mecanismos, como la transferencia horizontal de genes , la duplicación y la divergencia rápida , y la aparición de genes de novo a partir de una secuencia [2Estos procesos pueden operar a diferentes velocidades en insectos, primates y plantas [7] . A pesar de su origen relativamente reciente, los genes huérfanos pueden codificar proteínas funcionalmente importantes [8] [9] .

Historia del estudio de los genes huérfanos

Los genes huérfanos se descubrieron por primera vez después del inicio del proyecto de secuenciación del genoma de la levadura en 1996 [2] . Los genes huérfanos representaban aproximadamente el 26% del genoma de la levadura, pero se creía que estos genes podían clasificarse por homólogos si se secuenciaban más genomas [3] . En ese momento, la duplicación de genes se consideraba el único modelo serio de evolución de genes [2] [4] [10] , luego solo se secuenciaron unos pocos genomas para comparar, por lo que la ausencia de homólogos detectables se consideró probablemente debido a la falta de secuenciación. datos, y no de -por la verdadera falta de homología [3] . Sin embargo, los genes huérfanos continuaron existiendo a medida que aumentaba el número de genomas secuenciados [3] [11] , lo que eventualmente llevó a la conclusión de que los genes huérfanos son ubicuos en todos los genomas [2] . Las estimaciones del porcentaje de genes huérfanos varían mucho entre especies y estudios; 10-30% es una cifra comúnmente citada [3] .

El estudio de los genes huérfanos surgió en gran medida a principios de siglo. En 2003, un estudio de briggsae y especies relacionadas comparó más de 2000 genes [3 Ellos plantearon la hipótesis de que estos genes deben haber evolucionado demasiado rápido para ser detectados y, por lo tanto, son sitios de evolución muy rápida [3] . En 2005, Wilson examinó 122 especies bacterianas para tratar de averiguar si una gran cantidad de genes huérfanos en muchas especies son realmente genes huérfanos [11] . El estudio mostró que esta era una suposición correcta y desempeñó un papel en la adaptación de las bacterias. La definición de genes restringidos taxonómicamente se introdujo en la literatura para hacer que los genes huérfanos parezcan menos "misteriosos" [11] .

En 2008, se descubrió que una proteína de levadura funcionalmente establecida , BSC4, se había originado novo a partir de secuencias no codificantes cuya homología aún se encontraba en especies hermanas [ 12

En 2009, se descubrió un gen huérfano que regula la red biológica interna : el gen huérfano QQS de Arabidopsis thaliana afecta el metabolismo del almidón [13] . La proteína huérfana QQS interactúa con el factor de transcripción conservado NF-YC4, lo que explica el aumento en la producción de proteína que se produce cuando el gen QQS se introduce mediante ingeniería genética en otras especies de plantas [14] .

En 2011, se llevó a cabo un estudio genómico exhaustivo de la distribución y el origen evolutivo de genes huérfanos en plantas en la planta modelo Arabidopsis thaliana [15] .

Cómo identificar genes huérfanos

Los genes pueden clasificarse condicionalmente como huérfanos si no se encuentran proteínas ortólogas en especies cercanas [7] .

Un método utilizado para evaluar la similitud de secuencias de nucleótidos o proteínas indicativas de homología (es decir, similitud debida a un ancestro común) es la herramienta de búsqueda de alineación local básica (BLAST) . BLAST le permite buscar rápidamente secuencias en grandes bases de datos [16] [17] . Modelado sugiere que, bajo ciertas condiciones, BLAST es adecuado para detectar parientes lejanos de un gen [18] . Sin embargo, BLAST puede pasar fácilmente por alto genes cortos y de rápida evolución [19] .

El descubrimiento sistemático de homología para anotar genes huérfanos se denomina filoestratigrafía[20] . La filoestratigrafía genera un árbol filogenético , en el que se calcula la homología entre todos los genes de la especie principal y los genes de otras especies. El ancestro común más antiguo de un gen determina la edad o el estrato filogenético del gen. El término "huérfano" a veces se usa solo para la capa filogenética más joven que contiene solo una especie, pero cuando se interpreta de manera amplia como un gen taxonómicamente restringido , puede referirse a todas las capas filogenéticas excepto a la más antigua con un gen huérfano en un clado más grande .

¿De dónde vienen los genes huérfanos?

Los genes huérfanos surgen de una variedad de fuentes, predominantemente a través de la aparición de novoduplicación y la rápida divergencia , y la transferencia horizontal de genes [2

Aparición de novo

Nuevos genes huérfanos emergen constantemente novo a partir de secuencias no codificantes [ 21Estos nuevos genes pueden ser lo suficientemente útiles como para ser fijados a través de la selección . O, más probablemente, volverán a retroceder a un trasfondo no genético. La última opción está respaldada por estudios en Drosophila que muestran que es más probable que los genes jóvenes desaparezcan [22] .

Alguna vez se pensó que la aparición de genes de novo era casi imposible debido a las complejas y potencialmente frágiles complejidades de crear y mantener polipéptidos funcionales [10] , pero los estudios de los últimos 10 años han encontrado varios ejemplos de genes de novo . algunos de los cuales están asociados con importantes procesos biológicos, especialmente la función testicular en animales. También se han encontrado genes de novo en hongos y plantas [12] [23] [24] [5] [25] [26] [27] .

Para genes huérfanos jóvenes, a veces se pueden encontrar secuencias de ADN no codificantes homólogas en taxones hermanos, lo que generalmente se considera una fuerte evidencia de origen de novo . Sin embargo, la contribución del origen de novo a genes taxonómicamente restringidos de origen más antiguo, especialmente en relación con la teoría tradicional de la evolución de la duplicación de genes, sigue siendo controvertida [28] [29] .

Duplicación y divergencia

El modelo de duplicación y divergencia para genes huérfanos asume que se crea un nuevo gen como resultado de algún evento de duplicación o divergencia, y ocurre un período de evolución rápida cuando se pierde toda similitud detectable con el gen originalmente duplicado [2] . Aunque esta explicación es consistente con la comprensión actual de los mecanismos de duplicación [2] , el número de mutaciones requeridas para perder la similitud detectable es lo suficientemente grande como para ser un evento raro [2] [18] y el mecanismo evolutivo por el cual un gen duplicado puede ser aislado y, por lo tanto, diverge rápidamente sigue sin estar claro [2] [30] .

Transferencia horizontal de genes

Otra explicación de cómo surgen los genes huérfanos tiene que ver con un mecanismo de duplicación llamado transferencia horizontal de genes , donde el gen original duplicado proviene de un linaje[2] . Esta explicación del origen de los genes huérfanos es particularmente relevante en bacterias y arqueas , donde la transferencia horizontal de genes es común.

Características de una proteína

Los genes huérfanos tienden a ser muy cortos (alrededor de 6 veces más cortos que los genes maduros) y algunos se expresan débilmente , son específicos de tejido y tienen codones y composición de aminoácidos más fáciles de usar [31] . Los genes huérfanos tienden a codificar proteínas intrínsecamente desordenadas32]33] [34] aunque se ha encontrado alguna estructura en uno de los genes huérfanos mejor caracterizados [ 35] De las decenas de miles de metabolismoo especializado que se han caracterizado hasta la fecha, ninguna queda huérfana o incluso de origen limitado; obviamente, se requieren cientos de millones de años de evolución para la catálisis [31] .

Funciones biológicas

Si bien se reconoce la prevalencia de los genes huérfanos, todavía se debate el papel evolutivo de los huérfanos y, por extensión, su importancia. Una teoría es que muchos huérfanos no juegan un papel evolutivo; Los genomas contienen marcos de lectura abiertos (ORF) no funcionales , que crean productos polipeptídicos falsos que no están respaldados por la selección , lo que significa que es poco probable que persistan entre especies y es probable que se encuentren como genes huérfanos [3] . Sin embargo, muchos otros estudios han demostrado que al menos algunos huérfanos son funcionalmente importantes y pueden ayudar a explicar la aparición de nuevos fenotipos [2] [3] [11] [13] [14] [15] .

Notas

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