Pseudogeni: definicija, nastanek, evolucijska vloga in regulacija
Pseudogeni so geni, ki so izgubili svojo funkcijo. Pomeni, da gen več ne daje aktivnega produkta ali pa ta produkt ni več funkcionalen v organizmu. Pseudogeni so lahko prisotni v genomu kot zapisi, ki so nekoč izvirali iz uporabnih genov, a so zaradi sprememb v zaporedju prestali degeneracijo.
Nastanek in vzroki izgube funkcije
Pseudogeni nastanejo na več načinov, najpogosteje zaradi mutacij v genu, katerega produkt ni nujno potrebnen za preživetje organizma. Tipične mutacije, ki tvorijo psevdogene, vključujejo:
- premature stop kodone (npr. nonsense mutacije) in ramčne premike (frameshift), ki prekinjajo kodiranje beljakovin;
- izgubo promotorskih ali regualtivnih sekvenc, kar povzroči izgubo izražanja genov;
- retrotranspozicijo, kjer se presnet (spliced) mRNA preko obrnjenega transkripcije vgradi nazaj v genom — ti so pogosto imenovani procesirani pseudogeni;
- duplikacija gena, po kateri ena kopija lahko akumulira nevtralne mutacije in postane nefunkcionalna — ti so nedelujoči/duplirani pseudogeni;
- unitarni psevdogeni, kjer je izvirni gen v populaciji trajno izgubil funkcijo brez ohranitve funkcionalne kopije.
Struktura in lastnosti
Večina psevdogenov ohranja nekaj kodnih značilnosti prejšnjega gena, na primer homologijo zaporedja in konservirane eksone, a nimajo sposobnosti kodiranja beljakovin ali ne morejo kodirati RNK (na primer psevdogeni RNK). Nekateri so deloma ohranjeni, imajo dele funkcionalnih domen ali regulatorne elemente, drugi so močno razpršeni in skrajšani. Ker so običajno manj izpostavljeni selekciji, pogosto vsebujejo več mutacij kot funkcionalni geni.
Evolucijska vloga
Pseudogeni so pomembni kot »molekularni fosili« genomov — v svojih zaporedjih vsebujejo zanimive biološke in evolucijske zgodovine. To izhaja iz skupnega porekla psevdogena s funkcionalnim genom: Darwin je opisoval sorodnost vrst preko skupnih prednikov, podobno pa ima tudi psevdogen in z njim povezan funkcionalni gen skupnega prednika in sta se v milijonih let razšla kot ločeni genetski enoti. Analiza psevdogenov pomaga pri:
- rekonstrukciji filogenetskih odnosov in datiranju nastanka genetskih sprememb;
- razumevanju dinamike genetskih duplikacij in izgube funkcije;
- presoji nevtralne evolucije in hitrostih mutacij v različnih vrstah.
Funkcije in regulacija psevdogenov
Čeprav so tradicionalno opisani kot »nefunkcionalna« ali celo kot odpadno DNK, lahko nekateri psevdogeni vplivajo na celične procese. DNK psevdogenov ali njihove transkripte lahko delujejo regulativno na več načinov:
- psevdoRNA lahko nastane kot antisense transkript in uravnava izražanje izvornega gena;
- nekatere psevdogene transkripcije delujejo kot ceRNA (competitive endogenous RNA), ki vežejo mikroRNA in tako sproščajo regulacijo ciljnih genov — primer iz literature je PTENP1, psevdogen, ki uravnava onkogen/tumorsuppressor gen PTEN;
- psevdogeni lahko služijo kot vira kratkih motoričnih RNA (siRNA/piRNA) ali vplivajo na stanje kromatina in s tem dolgotrajno regulacijo;
- v nekaterih primerih so transkripti psevdogenov vključeni v nastanek fuzijskih genov ali novih regulativnih elementov, kar lahko vodi do novosti v genomu.
Raziskovanje in zaznavanje
Identifikacija psevdogenov zahteva primerjavo zaporedij z znanimi funkcionalnimi geni in iskanje značilnih »disablement« znakov (stop kodoni, ramčne premike, manjkajoči introni pri procesiranih psevdogenih, odsotnost promotorjev). Pomembno je tudi primerjati čez vrste, saj ohranjanje ali izguba funkcije v filogenetskem kontekstu daje dodatne informacije. Zaradi transkripcijskega delovanja nekateri psevdogeni potrebujejo integrirano analizo RNA-seq podatkov, epigenetskih kart in funkcionalnih testov.
Klinični pomen
Pseudogeni so lahko koristni kot biomarkerji ali pa igrajo vlogo v bolezni. V onkologiji so opisane situacije, kjer spremenjeno izražanje psevdogenov vpliva na potek bolezni (npr. preko ceRNA mehanizmov). Prav tako lahko mutacije v psevdogenih pomagajo pri sledenju klonalnih populacij tumorjev ali pri forenzičnih analizah.
Zaključek
Pseudogeni niso zgolj »genomski smeti« — predstavljajo zgodovinske zapise genetskih sprememb, lahko pa so tudi aktivni regulatorji v sodobnih celicah. Njihova preučitev bogati razumevanje evolucije genov, genomskih mehanizmov in potencialnih biomedicinskih aplikacij.
Več o speciaciji in evolucijskih procesih si oglejte tudi v povezavi z speciacijo in sorodnimi viri.
Prikaz mutacij, ki lahko povzročijo psevdogene. Človeško zaporedje je psevdogen iz družine olfaktornih genov. Šimpanzovo zaporedje je funkcionalni ortolog. Poudarjene so ključne razlike
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so psevdogeni?
O: Pseudogeni so nefunkcionalni geni, ki so izgubili izražanje genov v celici ali sposobnost kodiranja beljakovin.
V: Kdaj se je pojavil izraz "psevdogeni"?
O: Izraz "psevdogeni" je bil uporabljen leta 1977.
V: Kako nastanejo psevdogeni?
O: Pseudogeni lahko nastanejo zaradi mutacij v genu, katerega produkt ni potreben za preživetje organizma.
V: Ali je DNK psevdogenov funkcionalna?
O: Čeprav ne kodira beljakovin, je DNK psevdogenov lahko funkcionalna in podobna drugim vrstam nekodirajoče DNK, ki imajo regulativno vlogo.
V: Zakaj so psevdogeni pogosto označeni kot nezaželena DNK?
O: Pseudogeni so na splošno mišljeni kot zadnja postaja za genomski material, ki ga je treba odstraniti iz genoma, zato so pogosto označeni kot odpadna DNK.
V: Ali imajo psevdogeni kakšne lastnosti, podobne genom?
O: Da, večina psevdogenov ima nekatere lastnosti, podobne genom.
V: Kakšno biološko in evolucijsko zgodovino vsebujejo psevdogeni?
O: Pseudogeni vsebujejo zanimive biološke in evolucijske zgodovine v svojih zaporedjih zaradi skupnega porekla psevdogena s funkcionalnim genom. Tako kot je Darwin razmišljal o dveh vrstah, ki imata skupnega prednika, ki mu je sledilo več milijonov let evolucijskih razlik, imata tudi psevdogen in z njim povezan funkcionalni gen skupnega prednika in sta se v milijonih let razlikovala kot ločeni genetski entiteti.
