Рождение генов de novo

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Согласно классическим представлениям новые гены образуются из старых путем дупликации или горизонтального переноса. Анализ большого числа геномов, проведенный за последние десятилетия, показал, что часть генов не имеет видимых гомологов и, как предполагается, появилась de novo из ранее некодирующих последовательностей. В обзоре рассмотрены возможные механизмы de novo формирования генов, свойства кодируемых ими аминокислотных последовательностей, особенности экспрессии и отбора. Отдельно обсуждается проблема идентификации de novo генов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. О. Аристова

Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Россия, Москва

И. А. Вольхин

Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; Центр живых систем, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Россия, Москва; Долгопрудный

А. А. Денисова

Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Россия, Москва

П. А. Никитин

Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Россия, Москва; Москва

Е. Р. Петрухин

Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Arroyo J.I., Nery M.F. (2018) Gene fusion of heterophyletic gamma-globin genes in platyrrhine primates. J. Genet. 97, 1473–1478.
  2. Tautz D., Domazet-Lošo T. (2011) The evolutionary origin of orphan genes. Nat. Rev. Genet. 12, 692–702.
  3. Van Oss S.B., Carvunis A.-R. (2019) De novo gene birth. PLoS Genet. 15, e1008160.
  4. Черезов Р.О., Воронцова Ю.Е., Симонова О.Б. (2021) Феномен эволюционной “генерации De Novo” генов. Онтогенез. 52, 441–452.
  5. Ruiz-Orera J., Hernandez-Rodriguez J., Chiva C., Sabidó E., Kondova I., Bontrop R., Marqués-Bonet T., Albà M.M. (2015) Origins of de novo genes in human and chimpanzee. PLoS Genet. 11, e1005721.
  6. Zhuang X., Yang C., Murphy K.R., Cheng C.-C. (2019) Molecular mechanism and history of nonsense to sense evolution of antifreeze glycoprotein gene in northern gadids. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116, 4400–4405.
  7. Clark M.B., Amaral P.P., Schlesinger F.J., Dinger M.E., Taft R.J., Rinn J.L., Ponting C.P., Stadler P.F., Morris K.V., Morillon A., Rozowsky J.S., Gerstein M.B., Wahlestedt C., Hayashizaki Y., Carninci P., Gingeras T.R., Mattick J.S. (2011) The reality of pervasive transcription. PLoS Biol. 9, e1000625.
  8. David L., Huber W., Granovskaia M., Toedling J., Palm C.J., Bofkin L., Jones T., Davis R.W., Steinmetz L.M. (2006) A high-resolution map of transcription in the yeast genome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 5320– 5325.
  9. Yona A.H., Alm E.J., Gore J. (2018) Random sequences rapidly evolve into de novo promoters. Nat. Commun. 9, 1530.
  10. Ingolia N.T., Brar G.A., Stern-Ginossar N., Harris M.S., Talhouarne G.J.S., Jackson S.E., Wills M.R., Weissman J.S. (2014) Ri-bosome profiling reveals pervasive translation outside of annotated proteincoding genes. Cell Rep. 8, 1365–1379.
  11. Parikh S.B., Houghton C., Van Oss S.B., Wacholder A., Carvunis A. (2022) Origins, evolution, and physiological implications of de novo genes in yeast. Yeast. 39, 471–481.
  12. Xiao W., Liu H., Li Y., Li X., Xu C., Long M., Wang S. (2009) A rice gene of de novo origin negatively regulates pathogen-induced defense response. PLoS One. 4, e4603.
  13. Baalsrud H.T., Tørresen O.K., Solbakken M.H., Salzburger W., Hanel R., Jakobsen K.S., Jentoft S. (2018) De novo gene evolution of antifreeze glycoproteins in codfishes revealed by whole genome sequence data. Mol. Biol. Evol. 35, 593–606.
  14. Vakirlis N., Vance Z., Duggan K.M., McLysaght A. (2022) De novo birth of functional microproteins in the human lineage. Cell Rep. 41, 111808.
  15. Xie C., Zhang Y.E., Chen J.-Y., Liu C.-J., Zhou W.-Z., Li Y., Zhang M., Zhang R., Wei L., Li C.-Y. (2012) Hominoid-specific de novo protein-coding genes originating from long non-coding RNAs. PLoS Genet. 8, e1002942.
  16. Wu D.-D., Irwin D.M., Zhang Y.-P. (2011) De novo origin of human protein-coding genes. PLoS Genet. 7, e1002379.
  17. An N.A., Zhang J., Mo F., Luan X., Tian L., Shen Q.S., Li X., Li C., Zhou F., Zhang B., Ji M., Qi J., Zhou W.Z., Ding W., Chen J.Y., Yu J., Zhang L., Shu S., Hu B., Li C.Y. (2023) De novo genes with an lncRNA origin encode unique human brain developmental functionality. Nat. Ecol. Evol. 7(2), 264–278.
  18. Rubtsova M., Naraykina Y., Vasilkova D., Meerson M., Zvereva M., Prassolov V., Lazarev V., Manuvera V., Kovalchuk S., Anikanov N., Butenko I., Pobeguts O., Govorun V., Dontsova O. (2018) Protein encoded in human telomerase RNA is involved in cell protective pathways. Nucl. Acids Res. 46, 8966–8977.
  19. Wu X., Sharp P.A. (2013) Divergent transcription: a driving force for new gene origination? Cell. 155, 990–996.
  20. Vaishnav E.D., De Boer C.G., Molinet J., Yassour M., Fan L., Adiconis X., Thompson D.A., Levin J.Z., Cubillos F.A., Regev A. (2022) The evolution, evolvability and engineering of gene regulatory DNA. Nature. 603, 455–463.
  21. Chung W.-Y., Wadhawan S., Szklarczyk R., Pond S.K., Nekrutenko A. (2007) A first look at ARFome: dualcoding genes in mammalian genomes. PLoS Comput. Biol. 3, e91.
  22. Schmitz J.F., Ullrich K.K., Bornberg-Bauer E. (2018) Incipient de novo genes can evolve from frozen accidents that escaped rapid transcript turnover. Nat. Ecol. Evol. 2, 1626–1632.
  23. Suenaga Y., Islam S.M., Alagu J., Kaneko Y., Kato M., Tanaka Y., Kawana H., Hossain S., Matsumoto D., Yamamoto M., Shoji W., Itami M., Shibata T., Nakamura Y., Ohira M., Haraguchi S., Takatori A., Nakagawara A. (2014) NCYM, a cis-antisense gene of MYCN, encodes a de novo evolved protein that inhibits GSK3β resulting in the stabilization of MYCN in human neuroblastomas. PLoS Genet. 10, e1003996.
  24. Li D., Yan Z., Lu L., Jiang H., Wang W. (2014) Pleiotropy of the de novo-originated gene MDF1. Sci. Rep. 4, 7280.
  25. Li D., Dong Y., Jiang Y., Jiang H., Cai J., Wang W. (2010) A de novo originated gene depresses budding yeast mating pathway and is repressed by the protein encoded by its antisense strand. Cell Res. 20, 408– 420.
  26. Blevins W.R., Ruiz-Orera J., Messeguer X., Blasco- Moreno B., Villanueva-Cañas J.L., Espinar L., Díez J., Carey L.B., Albà M.M. (2021) Uncovering de novo gene birth in yeast using deep transcriptomics. Nat. Commun. 12, 604.
  27. Pelechano V., Steinmetz L.M. (2013) Gene regulation by antisense transcription. Nat. Rev. Genet. 14, 880– 893.
  28. Begun D.J., Lindfors H.A., Kern A.D., Jones C.D. (2007) Evidence for de novo evolution of testis-expressed genes in the Drosophila yakuba/Drosophila erecta clade. Genetics. 176, 1131–1137.
  29. Levine M.T., Jones C.D., Kern A.D., Lindfors H.A., Begun D.J. (2006) Novel genes derived from noncoding DNA in Drosophila melanogaster are frequently X-linked and exhibit testis-biased expression. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 9935– 9939.
  30. Xie C., Bekpen C., Künzel S., Keshavarz M., Krebs- Wheaton R., Skrabar N., Ullrich K.K., Tautz D. (2019) A de novo evolved gene in the house mouse regulates female pregnancy cycles. eLife. 8, e44392.
  31. Lombardo K.D., Sheehy H.K., Cridland J.M., Begun D.J. (2023) Identifying candidate de novo genes expressed in the somatic female reproductive tract of Drosophila melanogaster. G3 Genes Genomes Genet. 13, jkad122.
  32. Donoghue M.T., Keshavaiah C., Swamidatta S.H., Spillane C. (2011) Evolutionary origins of Brassicaceae specific genes in Arabidopsis thaliana. BMC Evol. Biol. 11, 47.
  33. Kirschner M., Gerhart J. (1998) Evolvability. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95, 8420–8427.
  34. Koonin E.V., Wolf Y.I. (2012) Evolution of microbes and viruses: a paradigm shift in evolutionary biology? Front Cell Infect. Microbiol. 2, 119.
  35. Carvunis A.R., Rolland T., Wapinski I., Calderwood M.A., Yildirim M.A., Simonis N., Charloteaux B., Hidalgo C.A., Barbette J., Santhanam B., Brar G.A., Weissman J.S., Regev A., Thierry-Mieg N., Cusick M.E., Vidal M. (2012) Proto-genes and de novo gene birth. Nature. 487, 370–374.
  36. Vakirlis N., Acar O., Hsu B., Castilho Coelho N., Van Oss S.B., Wacholder A., Medetgul-Ernar K., Bowman R.W. 2nd, Hines C.P., Iannotta J., Parikh S.B., McLysaght A., Camacho C.J., O'Donnell A.F., Ideker T., Carvunis A.R. (2020) De novo emergence of adaptive membrane proteins from thymine-rich genomic sequences. Nat. Commun. 11, 781.
  37. Palmieri N., Kosiol C., Schlötterer C. (2014) The life cycle of Drosophila orphan genes. eLife. 3, e01311.
  38. Wang Y.-W., Hess J., Slot J.C., Pringle A. (2020) De novo gene birth, horizontal gene transfer, and gene duplication as sources of new gene families associated with the origin of symbiosis in Amanita. Genome Biol. Evol. 12, 2168–2182.
  39. Babina A.M., Surkov S., Ye W., Jerlström-Hultqvist J., Larsson M., Holmqvist E., Jemth P., Andersson D.I., Knopp M. (2023) Rescue of Escherichia coli auxotrophy by de novo small proteins. eLife. 12, e78299.
  40. Storz G., Wolf Y.I., Ramamurthi K.S. (2014) Small proteins can no longer be ignored. Annu. Rev. Biochem. 83, 753–777.
  41. Knopp M., Gudmundsdottir J.S., Nilsson T., König F., Warsi O., Rajer F., Ädelroth P., Andersson D.I. (2019) De novo emergence of peptides that confer antibiotic resistance. mBio. 10, e00837-19.
  42. Knopp M., Babina A.M., Gudmundsdóttir J.S., Douglass M.V., Trent M.S., Andersson D.I. (2021) A novel type of colistin resistance genes selected from random sequence space. PLoS Genet. 17, e1009227.
  43. Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. (1990) Basic local alignment search tool. J. Mol. Biol. 215, 403–410.
  44. Albà M.M., Castresana J. (2007) On homology searches by protein BLAST and the characterization of the age of genes. BMC Evol. Biol. 7, 53.
  45. Elhaik E., Sabath N., Graur D. (2006) The “inverse relationship between evolutionary rate and age of mammalian genes” is an artifact of increased genetic distance with rate of evolution and time of divergence. Mol. Biol. Evol. 23, 1–3.
  46. Moyers B.A., Zhang J. (2017) Further simulations and analyses demonstrate open problems of phylostratigraphy. Genome Biol. Evol. 9, 1519–1527.
  47. Weisman C.M., Murray A.W., Eddy S.R. (2020) Many, but not all, lineage-specific genes can be explained by homology detection failure. PLoS Biol. 18, e3000862.
  48. Chanderbali A.S., Berger B.A., Howarth D.G., Soltis D.E., Soltis P.S. (2017) Evolution of floral diversity: genomics, genes and gamma. Philos. Trans. R Soc. B Biol. Sci. 372, 20150509.
  49. Assis R., Bachtrog D. (2013) Neofunctionalization of young duplicate genes in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 110, 17409–17414.
  50. Ohno S. (1970) Evolution by Gene Duplication. Heidelberg: Springer Berlin.
  51. Force A., Lynch M., Pickett F.B., Amores A., Yan Y., Postlethwait J. (1999) Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations. Genetics. 151, 1531–1545.
  52. Lynch M., Force A. (2000) The probability of duplicate gene preservation by subfunctionalization. Genetics. 154, 459–473.
  53. Hardison R.C. (2012) Evolution of hemoglobin and its genes. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2, a011627– a011627.
  54. Kondrashov F.A., Kondrashov A.S. (2006) Role of selection in fixation of gene duplications. J. Theor. Biol. 239, 141–151.
  55. Li C.Y., Zhang Y., Wang Z., Zhang Y., Cao C., Zhang P. W., Lu S.J., Li X.M., Yu Q., Zheng X., Du Q., Uhl G.R., Liu Q.R., Wei L. (2010) A human-specific de novo protein-coding gene associated with human brain functions. PLoS Comput. Biol. 6, e1000734.
  56. Vakirlis N., McLysaght A. (2019) Computational prediction of de novo emerged protein-coding genes. Meth. Mol. Biol. 1851, 63‒81.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Механизмы образования генов de novo. а — Возникновение генов вследствие повсеместной транскрипции и трансляции. Красным цветом обозначен de novo ген, зеленым – возникший промотор. б — Возникновение гена de novo на цепи, комплементарной к уже существующему гену. в — Возникновение гена de novo путем сдвига ОРС. Звездой обозначено появление точечной мутации, приводящей к сдвигу ОРС.

Скачать (216KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Быстрая эволюция дуплицированного гена может привести к накоплению значительного количества замен, вследствие чего он не будет идентифицироваться как гомолог других последовательностей с помощью BLAST [43] и, следовательно, будет признан орфанным.

Скачать (97KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025