خانواده‌ی ژنی

سازوکارهای ایجاد ژن‌های جدید

در طی سالیان طولانی، دانشمندان چند سازوکار را برای به وجود آمدن ژن‌های جدید مطرح کرده‌اند. یکی از سازوکارهای اصلی آن، ایجاد تنوع در ژن‌های همولوگوس (1) می‌باشد. ژن‌های همولوگوس ژن‌هایی هستند که از یک نیای مشترک به ارث رسیده باشند. حال اگر این ژن‌ها به دلیل گونه‌زایی دستخوش واگرایی شده باشند، به آنها اورتولوگوس (2) (نظیر برخی از ژن‌های موش‌ها ورت‌ها) گفته می‌شود. اما چنانچه واگرایی این ژن‌ها به دلیل مضاعف شدگی صورت پذیرفته باشد، آنها را پارالوگوس (3) می‌خوانند. برای درک بهتر این واگرایی‌ها به شکل 1 مراجعه شود. اگر دلیل این واگرایی‌ها انتقال افقی یا جانبی ژن‌ها باشد، این ژن‌ها را زنولوگوس (4) می‌نامند. انتقال افقی ژن‌ها، به هر نوع انتقال که به دلیل تولید مثل (انتقال عمودی) نباشد گفته می‌شود. هم یوغی (5) در باکتری‌ها، ترانسفورماسیون (6) و ترانسداکسیون (7) از جمله سازوکارهای انتقال افقی ژن‌ها می‌باشند.
مضاعف شدگی‌ها بر اساس اندازه‌ی قسمت اضافه شده دسته‌بندی می‌شوند. بر همین اساس، مضاعف شدگی‌ها ممکن است شامل تمام ژنوم، قطعات بزرگی از ژنوم، ژن‌های منفرد، اگزون‌ها یا حتی بخش خاصی از اگزون باشند. این نوع مضاعف شدگی‌ها نه فقط شامل ژن‌های کُد کننده‌ی پروتئین، بلکه در مورد ژن‌های غیر کدکننده نیز امکان‌پذیر است. قطعات مضاعف شده می‌توانند پشت سرهم (8) یا پراکنده (9) در ژنوم توزیع شوند. روش‌هایی که در مضاعف شدگی شرکت می‌کنند متنوع بوده و مطالعات برای کشف جزئیات بیشتر همچنان ادامه دارد. این سازوکارها شامل عدم انفصال کروموزومی (10) (شکل 2، 3) پلی پلوئیدی، سر خوردن آنزیم در طی همانند‌سازی (11)، کراسینگ‌آور نابرابر (12)، تبدیل ژنی (13)، مضاعف شدگی قطعه‌ای (14)، عناصر متحرک (ترانسپوزون‌ها)، انتقال جانبی ژن‌ها، ملحق شدن ژن‌ها، و ساختار ژنی نوظهور هستند.
* توضیح شکل 1-الف. درخت خانواده گلوبین: در سیر تکامل، مجموعه‌ای از اتفاقات مضاعف شدگی ژنی و واگرایی باعث ایجاد خانواده‌ای از ژن‌های مرتبط به هم می‌گردد. ژن گلوبین اجدادی مضاعف شده و هموگلوبین و میوگلوبین را به وجود می‌آورد. سپس، مضاعف شدگی دیگری رخ می‌دهد و هموگلوبین به آلفاگلوبین اجدادی و بتاگلوبین اجدادی واگرا می‌شود. مضاعف شدگی‌ها و واگرایی‌های مستمر، خانواده‌ی ژنی کامل گلوبین را به وجود می‌آورند. ب. ژن‌های متفاوت خانواده هموگلوبین برای وظایف اختصاصی در طی رشد و نمو سازگار شده‌اند. بنابراین، جنین از دو زنجیره آلفا و دو زنجیره گاما برای تشکیل تترامر هموگلوبین خود استفاده می‌نماید. این نوع تترامر قادر است تا اکسیژن بیشتری را از خون مادر استخراج نماید زیرا از قدرت جذب بیشتری برای اکسیژن در مقایسه با تترامر بالغ دارا است.
* توضیح شکل 2. عدم انفصال در تقسیم اول میوز نشان داده شده است. گامت‌های حاصل پس از شرکت در باروری افرادی را با یک کروموزوم بیشتر (تریزومی) و یک کروموزوم کمتر (مونوزومی) تولید می‌نمایند.

سرخوردن آنزیمِ DNA پلیمراز در طی همانند‌سازی و کراسینگ‌آور نابرابر

نواحی تکراری پشت سرهم مکان‌های ناپایداری هستند و مستعد بروز جهش‌های متعدد (15) هستند. تعداد تکرارها طی جهش افزایش و کاهش می‌یابد. دو سازوکار اصلی برای تغییر تعداد تکرار‌ها عبارتند از: سرخوردن آنزیم DNA پلیمراز در طی همانندسازی و کراسینگ‌آور نابرابر.
* توضیح شکل 3. عدم انفصال در تقسیم دوم میوز نشان داده شده است. گامت‌های حاصل پس از شرکت در باروری، افرادی طبیعی، افرادی با یک کروموزوم بیشتر (تریزومی)، و یک کروموزو کمتر (مونوزومی) را تولید می‌نمایند.
آنزیم DNA پلیمراز طی برخورد با توالی‌های تکراری موقتاً ارتباطش با DNA رشته‌ی الگو قطع می‌شود و به دنبال آن DNA رشته‌ی جدید از الگوی خود جدا می‌شود. سپس آن دو رشته به هم متصل می‌شوند. گاهی اوقات این دو رشته همدیگر را به درستی پیدا نمی‌کنند. بنابراین ممکن است برآمدگی‌هایی (16) در رشته‌ی الگو یا رشته جدید به وجود آید. این برآمدگی‌ها باید ترمیم شوند.
* توضیح شکل 4. سر خوردن آنزیم پلیمراز در همانندسازی
ترمیم برآمدگی‌ها در رشته‌ی الگو منتهی به کاهش تکرارها و در رشته‌ی جدید منجر به افزایش آنها می‌شود (شکل 4).
کراسینگ‌آور به دو دسته‌ی مشابه و غیر مشابه تقسیم می‌شود. در کراسینگ‌آور مشابه توالی‌هایی که قرار است در این فرایند شرکت کنند شباهت با هم دارند. اما در نوع غیرمشابه شباهت‌های آنها اندک است.
در کراسینگ‌آور مشابه که بین توالی‌ها تکراری پشت سر هم رخ می‌دهد این احتمال وجود دارد که به درستی در مقابل هم صف‌آرایی نکنند. لذا قطعات جابه جا شونده هم اندازه نخواهد بود و در یک کروماتید حذف و در دیگری اضافه شدن صورت می‌گیرد (شکل 5).
* توضیح شکل 5. کراسینگ‌آور نابرابر بین کروماتیدهای غیرخواهری، خواهری و طی همانندسازی
* توضیح شکل 6. مضاعف شدگی قطعه‌ای. خط افقی در مرکز، نمایش دهنده‌ی نقشه کروموزوم 16 است (ناحیه سبز رنگ مرکزی مربوط به هتروکروماتین می‌باشد). خطوط سیاه رنگ افقی در بالا و پایین، مربوط به نقشه سایر کروموزم‌هاست که دارای قطعات بزرگی مشابه با کروموزوم 16 می‌باشند. خطوط قرمز نشان دهنده کراسینگ‌آورهای مشابه بین کروموزم‌هاست. کراسینگ‌آورهای درون کروموزمی توسط خطوط آبی نشان داده شده‌اند.
مضاعف شدگی قطعه‌ای، شامل بلوک‌هایی از 1 تا 200 هزار جفت باز هستند. این قطعات در همان کروموزم یا در کروموزم دیگر تکرار شده‌اند و معمولاً در نواحی نزدیک به سانترومر وجود دارند. هنگامی که شباهت این قطعات بیش از 95 درصد و اندازه‌ی آنها 10 هزار جفت باز یا بیشتر باشد، ممکن است کراسینگ‌آور نابرابر رخ دهد (شکل 6). این پدیده نیز منجر به حذف و اضافه شدگی کروموزم‌ها می‌گردد.

تبدیل ژنی

در پدیده‌ی کراسینگ‌آور پس از جابه جایی قطعات، آلل‌های متفاوت رو به روی هم قرار می‌گیرند که ممکن است باعث ایجاد پیوندهای نامتناسب (17) بین نوکلئوتیدها شود و منجر به ایجاد هترودوبلکس شود. برای ترمیم این تغییرات دو سازوکار اساسی تبدیل ژنی و بدون تبدیل ژنی وجود دارد. در روش تبدیل ژنی یک نوع آلل خاص در نقش الگو برای ترمیم در نظر گرفته می‌شود و تمامی آلل‌ها به آلل ا لگو تبدیل می‌شوند که باعث افزایش نسخه‌های آن آلل خواهد شد. اما در سازوکار بدون تبدیل ژنی هر دو نسخه به صورت الگو در فرایند ترمیم شرکت می‌کنند (شکل 7، 8).
* توضیح شکل 7. سازوکار ترمیم هترودوبلکس‌ها به دو روش تبدیل ژنی و بدون تبدیل ژنی صورت می‌پذیرد.

عناصر متحرک

عناصر متحرک را قطعات خودخواه نیز می‌نامند. زیرا این قطعات پروتئین‌هایی می‌سازند که به آنها اجازه‌ی تکثیر و جابه جایی می‌دهد. عناصر متحرک معمولاً به صورت پراکنده در ژنوم تکرار می‌شوند. این عناصر به دو دسته‌ی اصلی DNA ترانسپوزون و رتروترانسپوزون تقسیم می‌شوند. DNA ترانسپوزون‌ها نیز به دو دسته‌ی اساسی تکثیرشونده (18) و تکثیر نشونده (19) (شکل 9) دسته‌بندی می‌شوند. در مدل تکثیرشونده نسخه‌ی جدیدی از عناصر ترانسپوزون وارد مکان نو می‌شود در حالی که نسخه‌ی اصلی همچنان درمکان خود باقی مانده است. اما در مدمل تکثیر نشونده عناصر متحرک از مکان اصلی خود خارج و وارد مکان هدف می‌شوند بدون آنکه نسخه‌ی جدیدی تولید شود.
رتروترانسپوزون‌ها از طریق رونوشت‌برداری معکوس (تبدیل RNA به cDNA یا DNA مکمل) تکثیر می‌شوند. این DNA مکمل در مکان جدید وارد می‌شود. رتروترانسپوزون‌ها به دو دسته‌ی شبه ویروسی و پلی A رتروترانسپوزون تقسیم می‌شوند.
* توضیح شکل 8. تبدیل ژنی: به دنبال فرایند نوترکیبی و ایجاد هترودوبلکس‌ها، دو مکانیسم تبدیل ژنی و بدون تبدیل ژنی در ترمیم جهش شرکت می‌نمایند. در روش تبدیل ژنی هر دو نسخه ژنی به یک نوع آلل تبدیل می‌گردند. در این تصویر هر دو یا به آلل غالب و یا آلل مغلوب تبدیل شده‌اند اما در مسیر بدون تبدیل ژنی هر دو نسخه ژنی باقی می‌مانند.
* توضیح شکل 9. عناصر ترنسپوزون به دو شکل تکثیر نشونده (در سمت چپ تصویر) و تکثیر شونده (در سمت راست تصویر) در ژنوم جابجا می‌گردند. این عناصر در دو طرف خود توالی تکراری معکوس دارند.
نکته‌ی قابل توجه این است که رابطه‌ی معکوسی بین تراکم ژنی و تعداد ترانسپوزون‌ها وجود دارد. بدین صورت که در موجوداتی همانند اِکولای و یا مگس سرکه که از تراکم ژنی بالایی برخوردارند و از نظر ژنومی غنی هستند، تعداد ناچیزی از عناصر متحرک وجود دارد در حالی که در موجودات عالی مانند انسان یا ذرت با تراکم پایین ژنی، تعداد قابل توجهی از عناصر متحرک وجود دارد.

انتقال جانبی ژن‌ها

منظور از انتقال جانبی اشاره به انتقال غیرعمودی است و به جای انتقال والدین به فرزندان، از طریق یک ژنوم غیرمرتبط، قطعات ژنی وارد می‌شوند. در این میان می‌توان به انتقال ژنی بین باکتری‌ها از طریق همجوشی یا جابه جایی قطعات ژنی بین اندامک‌های میتوکندری و کلروپلاست با هسته اشاره کرد.

الحاق ژنی یا بُرخوردن ژن‌ها (20):

قطعاتی از دو تا چند ژن موجود توسط نوترکیبی به یکدیگر ملحق شده و یک ژن جدید را تشکیل می‌دهند. مثال جالبی که از این سازوکار می‌توان به آن اشاره کرد، ژن گیرنده‌ی LDL است. LDL یک لیپوپروتئین با چگالی کم است که کلسترول را در خون حمل می‌کند. گیرنده‌ی LDL بر روی سطح سلولی برای جذب آن وجود دارد. ژن مربوط به گیرنده‌ی LDL از چند ناحیه تشکیل شده است که دو ناحیه از آنها از دو ژن متفاوت منشأ یافته‌اند. ابتدای این ژن شامل هفت تکرار است که نسخه‌ای از ژن فاکتور مکمل C9 (پروتئین سیستم ایمنی) را دریافت کرده است و در ادامه بخشی از ژن فاکتور رشد اپیدرم در آن وارد شده است و در انتها قسمت یکتایی که همانندی در ژنوم ندارد در تشکیل ژن گیرنده‌ی LDL دخیل شده است (شکل 10).
* توضیح شکل 10. نوترکیبی بین ژن‌های متفاوت در ژنوم می‌تواند باعث ترکیب جدید ژنی شود.

ساختار ژنی نوظهور

ژن‌های جدید می‌توانند از نواحی غیر کدکننده‌ی DNA به وجود آیند. اخیراً چند ژن جدید که از نواحی غیرکدکننده مشتق شده‌اند در دروزوفیلا کشف شده است. احتمالاً این ژن‌ها توانایی سنتز پروتئین را دارا هستند. نکته‌ی مهم در مورد این ژن‌ها این است که هیچ ژن مشابه آنها در سایر گونه‌ها یافت نشده است.

چه اتفاقاتی در ژن‌های جدید می‌افتد؟

تمام سازوکارهای ذکر شده باعث افزایش پیچیدگی و تنوع در ژنوم‌ها می‌شوند. همانند جهش، هنگامی که ژن‌های جدید در یک ژنوم تثبیت می‌شوند، این ژن‌ها به صورت ماده‌ی خام برای تکامل به کار می‌روند و به تفاوت‌های مابین گونه‌ها می‌افزایند. مضاعف شدگی باعث ایجاد دو یا چند نسخه از یک ژن می‌شود. یک سری از نسخه‌های ژنی وظیفه‌ی اصلی خود را همچنان در موجود زنده حفظ می‌کنند در حالی که بقیه وظیفه‌ی جدیدی را بر عهده می‌گیرند. در نتیجه، نسخه‌های جدید ژنی منابع اصلی ابتکار عمل ژنومی خواهند شد و اغلب تحت تأثیر فرایند انتخاب مثبت (انتخابی که باعث افزایش شایستگی یک آلل می‌گردد) تکامل می‌یابند که در آن، تغییرات سریع در پروتئین کد شده به وسیله‌ی ژن جدید باعث به وجود آمدن وظیفه و عملکرد نو می‌شود. به این فرایند ایجاد عملکرد جدید (21) می‌گویند.
دو نسخه‌ی ژنی برای افزایش بیان ژن وحفظ چندین واریانت ژن برای تثبیت هتروزیگوسیتی و تنوع است. همچنین وقوع جهش‌های مکمل (22) به صورتی که حضور الل‌های مکمل برای بیان ژن ضروری به نظر می‌رسد یکی از پیامدهای مضاعف شدگی است. جهش‌های مکمل پدیده‌ی جالبی هستند زیرا با تقسیم وظایف آغاز می‌گردند و می‌توانند زمینه را برای اختصاصی شدن فراهم سازند. جهش‌های مکمل منجر به ایجاد نسخه‌های ژنی با عملکرد جدید یا جهش‌های مکمل جدید می‌شوند.
یکی دیگر از نتایج مضاعف شدگی، ژن کاذب (23) است. گاهی اوقات بر اثر حذف، فقط قطعات کوچک ژنی (24) باقی می‌مانند. برای مثال، قطعه‌ای از سر َ5 یا از انتهای َ3 و یا حتی تک اگزونی از یک ژن چند اگزونی بر جای می‌ماند. این پدیده زمینه را برای ناسازگاری بین گونه‌ها فراهم می‌سازد. مضاعف شدگی و حذف ژن‌ها نقش مهمی در جلوگیری از ایجاد دورگه و کاهش شایستگی نتاج حاصل از تلاقی بین جوامع متمایز ژنتیکی ایفا می‌کنند. بنابراین، این فرایند می‌تواند در گونه‌زایی سهمی مؤثر داشته باشد.

منشأ و سرنوشت ژن‌های کاذب

ژن‌های کاذب عموماً دارای توالی‌های مشابه با ژن‌های شناخته شده هستند، اما نمی‌توانند پروتئین‌هایی با کارکرد مشخص تولید کنند. ژن های کاذب از طریق سازوکار مشابه با ژن‌های کدکننده‌ی پروتئین مضاعف می‌گردند. اما به دنبال آن جهش‌های ناتوان کننده تجمع می‌کنند (برای مثال جایگزینی، حذف، و اضافه شدن نوکلئوتیدها) که قالب‌های خواندن آزاد را مختل می‌کنند یا منجر به ایجاد کدون ختم پیش از موعد می‌شوند.
ژن‌های کاذب در کل به دو دسته‌ی پردازش شده (25) و پردازش نشده (26) تقسیم می‌گردند. ژن‌های کاذب پردازش نشده معمولاً دارای اینترون هستند و در مجاورت ژن‌های پارالوگوس والدینی قرار می‌گیرند. ژن‌های کاذب پردازش شده از طریق فرایند رتروترانسپوزون تکثیر می‌یابند و بنابراین فاقد اینترون و نواحی پرموتور بوده، اما اغلب دارای دم پلی A هستند. در صورتی که توالی جدید در مجاورت پرموتور وارد شود، امکان بیان ژن برای نسخه‌ی جدید فراهم می‌آید. رتروژن‌ها (27) حاصل این فرایند هستند.
یکی از کاربردهای اصلی روتروژن‌ها در جسم XY (28) است. در طول تقسیمات میوزی جنس نر موجوداتی مانند پستانداران، کرم‌ها، و حشره‌ها کروموزم‌های X و Y در حالت فشرده قرار گرفته و بیان ژن‌هایشان محدود می‌شود. در عوض نسخه‌هایی از این ژن‌ها به صورت روتروژن بر روی کروموزم‌های غیرجنسی وجود دارند که بیان این ژن‌ها را جبران می‌کنند.
خطا در فرایند رونوشت‌برداری معکوس و فقدان سازوکار تنظیم مناسب باعث نابودی نسخه‌های پردازش یافته می‌شود.

ساختار خانواده‌های ژنی

خانواده‌های ژنی را می‌توان از نظر ساختار به دو بخش دستجات خانواده‌ی ژنی (29) و خانواده‌ی ژن‌های پراکنده (30) تقسیم کرد. دستجات خانواده‌ی ژنی نیز به دو قسمت دستجات منفرد و چندگانه دسته‌بندی می‌شوند. در دستجات ژنی سه نوع ساختار متفاوت مشاهده می‌شود. در ساختار نوع اول، ژن‌های موجود در یک دسته پشت سر هم (31) قرار گرفته‌اند. در نوع دوم فاصله‌ی بین ژن‌ها در مقایسه با نوع اول افزایش یافته است، اما همچنان در نزدیکی یکدیگر (32) قرار می‌گیرند. به این نوع از خانواده‌های ژنی دستجات نزدیک گفته می‌شود. در نوع آخر که تحت عنوان «دستجات مرکب» (33) شناخته می‌شوند فاصله‌ی قابل توجهی بین ژن‌ها در داخل دسته‌ی ژنی وجود دارد و حتی ممکن است بین آنها ژن‌های غیرمرتبط نیز وجود داشته باشد.
این دستجات چندگانه‌ی ژنی در طول دو یا چند کروموزم پراکنده شده‌اند. این دستجات را می‌توان بر اساس شباهت‌ها بین ژن‌های موجود در آنها به دو نوع تقسیم کرد. در نوع اول بین اعضای ژنی در کروموزم‌های مختلف شباهت‌های زیاد (34) وجود دارد. برای مثال شباهت‌های مقابل توجهی که بین ژن‌های متفاوت RNA ریبوزومی وجود دارد که در بازوی کوچک کروموزم‌های 13، 14، 15، 21، 22 پراکنده‌اند. مثال دیگر در این گروه خانواده‌ی ژنی گیرنده‌ی بویایی است. احتمالاً در این خانواده هزار ژن وجود دارد که در 25 ناحیه‌ی کروموزمی پراکنده شده‌اند و بالاخره دستجات ژنی چندگانه با شباهت‌های اندک (35) مورد دسته در این گروه است. این دستجات چندگانه اغلب دارای شباهت‌های توالی ژنی درون گروهی بیشتری در مقایسه با ژن‌های بین گروهی هستند. برای مثال، خانواده‌ی ژنی گلوبین دارای سه دسته ژنی آلفا - گلوبین روی بازو کوچک کروموزم 16، بتا - گلوبین بر روی بازوی کوچک کروموزم 11، و میوگلوبین بر روی بازوی بزرگ کروموزم 22 است. اگرچه تمامی ژن‌های گلوبین‌ها به یکدیگر مرتبط هستند اما ژن‌های درون گروهی در مقایسه با ژن‌های بین گروهی شباهت‌های بیشتری دارند.

پی‌نوشت‌ها:

1. Homologous
2. Orthologous
3. Paralogous
4. Xenologous
5. Conjugation
6. Transformation
7. Transduction
8. Tandem
9. Interspersed
10. Non-disjunction
11. Replication slippage
12. Unequal crossing over
13. Gene conversion
14. Segmental duplication
15. Hot-spot for mutation
16. Protrusion
17. Mismatch
18. Replicative
19. Non -replicative
20. Gene shuffling
21. Neofunctionalization
22. Subfunctionalization
23. Pseudogenes
24. Gene fragments or Truncated genes
25. Processed pseudogenes
26. Non-processed pseudogenes
27. Retrogenes
28. XY body
29. Clustered gene family
30. Interspersed gene family
31. Tandem gene organization
32. Close clustering
33. Compound clusters
34. High cluster similarity
35. Low cluster similarity

منبع مقاله :
علی بیک؛ هنگامه، (1393)، گذری بر سیر تکاملی موجودات زنده، تهران: انتشارات فیروزه، چاپ اول.