Genduplikation

Genduplikation (auch Chromosomenduplikation oder Genamplifikation genannt ) ist ein Mechanismus, durch den im Laufe der molekularen Evolution neues genetisches Material entsteht . Sie kann als jede Verdopplung eines DNA- Abschnitts definiert werden, der ein Gen enthält . Genduplikationen können durch verschiedene Fehler bei der DNA-Replikation und -Reparatur sowie durch zufällige Aufnahme durch egoistische genetische Elemente entstehen. Häufige Ursachen für Genduplikationen sind ektopische Rekombination , Replikations-Slippage , Retrotransposition , Aneuploidie und Polyploidie . ^{[ 1 ]}

Duplikationen entstehen durch ein Ereignis namens ungleiches Crossing-over , das während der Meiose zwischen falsch ausgerichteten homologen Chromosomen auftritt. Die Wahrscheinlichkeit dafür hängt vom Grad der Übereinstimmung repetitiver Elemente zwischen zwei Chromosomen ab. Die Produkte dieser Rekombination sind eine Duplikation an der Austauschstelle und eine wechselseitige Deletion. Ektopische Rekombination wird typischerweise durch Sequenzähnlichkeit an den Duplikationsbruchstellen vermittelt, wodurch direkte Wiederholungen entstehen. Repetitive genetische Elemente wie Transposons stellen eine Quelle repetitiver DNA dar, die Rekombinationen ermöglichen kann, und finden sich häufig an Duplikationsbruchstellen in Pflanzen und Säugetieren. ^{[ 2 ]}

Replikations-Slippage ist ein Fehler bei der DNA-Replikation, der zur Duplikation kurzer genetischer Sequenzen führen kann. Während der Replikation beginnt die DNA-Polymerase mit dem Kopieren der DNA. An einem bestimmten Punkt im Replikationsprozess löst sich die Polymerase von der DNA, und die Replikation kommt zum Stillstand. Bindet die Polymerase erneut an den DNA-Strang, richtet sie diesen an einer falschen Position aus und kopiert so versehentlich denselben Abschnitt mehrfach. Replikations-Slippage wird häufig durch repetitive Sequenzen begünstigt, erfordert aber nur wenige Basenpaare Ähnlichkeit.

Retrotransposons , hauptsächlich L1 , können gelegentlich auf zelluläre mRNA einwirken. Die Transkripte werden in DNA umgeschrieben und an zufälligen Stellen im Genom eingefügt, wodurch Retrogene entstehen. Die resultierenden Sequenzen enthalten üblicherweise keine Introns und oft Poly(A)-Sequenzen , die ebenfalls in das Genom integriert werden. Viele Retrogene weisen im Vergleich zu ihren Elterngenen veränderte Genregulationsmuster auf, was mitunter zu neuen Funktionen führt. Retrogene können zwischen verschiedenen Chromosomen wandern und so die Chromosomenentwicklung beeinflussen. ^{[ 3 ]}

Aneuploidie entsteht durch die Nichttrennung eines einzelnen Chromosoms, was zu einer abnormalen Chromosomenzahl führt. Sie ist oft schädlich und führt bei Säugetieren regelmäßig zu Fehlgeburten. Einige aneuploide Individuen sind lebensfähig, beispielsweise die Trisomie 21 beim Menschen, die zum Down-Syndrom führt . Da Aneuploidie die Genkopienzahl häufig auf für den Organismus schädliche Weise verändert, ist eine Ausbreitung in Populationen unwahrscheinlich.

Polyploidie , auch Genomverdopplung genannt , entsteht durch die Nicht-Trennung der Chromosomen während der Meiose und führt zu zusätzlichen Kopien des gesamten Genoms. Polyploidie ist bei Pflanzen weit verbreitet, tritt aber auch bei Tieren auf. So kam es in der Wirbeltierlinie, die zum Menschen führte , zu zwei Runden der Genomverdopplung ( 2R-Ereignis ). ^{[ 4 ]} Auch bei den Hemiascomyceten-Hefen trat sie vor etwa 100 Millionen Jahren auf. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Nach einer vollständigen Genomverdopplung kommt es zu einer relativ kurzen Phase genomischer Instabilität, umfangreichem Genverlust, erhöhten Nukleotidsubstitutionen und Umstrukturierungen des regulatorischen Netzwerks. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Darüber hinaus spielen Gen-Dosierungseffekte eine wichtige Rolle. ^{[ 9 ]} Die meisten Duplikate gehen daher innerhalb kurzer Zeit verloren, ein beträchtlicher Anteil bleibt jedoch erhalten. ^{[ 10 ]} Interessanterweise werden regulatorische Gene bevorzugt beibehalten. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Die Beibehaltung regulatorischer Gene, insbesondere der Hox-Gene , hat zudem zu adaptiver Innovation geführt.

Schnelle Evolution und funktionelle Divergenz wurden auf Ebene der Transkription duplizierter Gene beobachtet, üblicherweise durch Punktmutationen in kurzen Transkriptionsfaktor-Bindungsmotiven. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Darüber hinaus trägt die schnelle Evolution von Proteinphosphorylierungsmotiven, die meist in sich schnell entwickelnden, intrinsisch ungeordneten Regionen eingebettet sind, zum Überleben und zur schnellen Anpassung/Neofunktionalisierung duplizierter Gene bei. ^{[ 15 ]} Somit scheint ein Zusammenhang zwischen Genregulation (zumindest auf posttranslationaler Ebene) und Genom-Evolution zu bestehen. ^{[ 15 ]}

Polyploidie ist eine bekannte Ursache für Artbildung, da Nachkommen mit einer anderen Chromosomenzahl als die Elternarten sich oft nicht mit nicht-polyploiden Organismen fortpflanzen können. Genomverdopplungen gelten als weniger schädlich als Aneuploidie, da die relative Dosierung der einzelnen Gene gleich sein sollte.

^{Vergleiche von Genomen zeigen ,} dass Genduplikationen in den meisten untersuchten Arten häufig vorkommen. Dies belegen variable Kopienzahlen ( Kopienzahlvariationen ) im Genom von Menschen ^{[ 16 , 17 ]} oder Fruchtfliegen ^{[ 18 ]} . Bislang war es jedoch schwierig, die Rate solcher Duplikationen zu messen. Jüngste Studien lieferten erstmals eine direkte Schätzung der genomweiten Genduplikationsrate in Caenorhabditis elegans , dem ersten vielzelligen Eukaryoten, für den eine solche Schätzung verfügbar wurde. Die Genduplikationsrate in C. elegans liegt in der Größenordnung von 10⁻⁷ ^{Duplikationen} pro Gen und Generation. Das bedeutet, dass in einer Population von 10 Millionen Würmern pro Generation ein Gen dupliziert wird. Diese Rate ist zwei Größenordnungen höher als die spontane Punktmutationsrate pro Nukleotidposition in dieser Art. ^{[ 19 ]} Ältere (indirekte) Studien berichteten von ortsspezifischen Duplikationsraten in Bakterien, Drosophila und Menschen im Bereich von 10 ⁻³ bis 10 ⁻⁷ /Gen/Generation. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Genomduplikation erfolgt nicht als einmaliges Ereignis, sondern als kontinuierlicher Prozess während der Tumorentwicklung, wodurch Zellen mit unterschiedlichem Ploidiegrad entstehen. Mehr als 60 % der analysierten Tumoren wiesen multiple Ganzgenomduplikationsereignisse (WGD) auf, was auf ein aktives evolutionäres Modell innerhalb des Tumors hindeutet. ^{[ 23 ]}

Genduplikationen sind eine wichtige Quelle genetischer Neuheit, die zu evolutionären Innovationen führen kann. Duplikation erzeugt genetische Redundanz, wobei die zweite Genkopie oft keinem Selektionsdruck unterliegt – das heißt, Mutationen dieser Kopie haben keine schädlichen Auswirkungen auf den Wirtsorganismus. Wenn eine Genkopie eine Mutation erfährt, die ihre ursprüngliche Funktion beeinträchtigt, kann die zweite Kopie als „Ersatzteil“ dienen und weiterhin korrekt funktionieren. Daher akkumulieren duplizierte Gene über Generationen von Organismen hinweg Mutationen schneller als ein funktionsfähiges Einzelkopie-Gen, und es ist möglich, dass eine der beiden Kopien eine neue und andere Funktion entwickelt. Beispiele für eine solche Neofunktionalisierung sind die offensichtliche Mutation eines duplizierten Verdauungsgens in einer Familie von Eisfischen zu einem Frostschutzgen, die Duplikation, die zu einem neuen Schlangengiftgen führte ^{[ 24 ]} , und die Synthese von 1β-Hydroxytestosteron bei Schweinen ^{[ 25 ] .}

Die Genduplikation spielt vermutlich eine entscheidende Rolle in der Evolution ; diese Ansicht wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit über 100 Jahren vertreten. ^{[ 26 ]} Susumu Ohno war einer der bekanntesten Begründer dieser Theorie und legte sie in seinem Klassiker „ Evolution durch Genduplikation“ (1970) dar. ^{[ 27 ]} Ohno argumentierte, dass die Genduplikation die wichtigste evolutionäre Kraft seit dem Auftreten des gemeinsamen Vorfahren aller Lebewesen sei . ^{[ 28 ]} Große Genomduplikationen können recht häufig vorkommen. Man geht davon aus, dass das gesamte Hefegenom vor etwa 100 Millionen Jahren dupliziert wurde. ^{[ 29 ]} Pflanzen sind die Organismen mit der höchsten Genomduplikationsrate. Weizen beispielsweise ist hexaploid (eine Art Polyploid ), das heißt, er besitzt sechs Kopien seines Genoms.

Eine weitere Möglichkeit für duplizierte Gene besteht darin, dass beide Kopien gleichermaßen degenerative Mutationen akkumulieren können, solange etwaige Defekte durch die jeweils andere Kopie komplementiert werden. Dies führt zu einer neutralen „ Subfunktionalisierung “ (einem Prozess konstruktiver neutraler Evolution ) oder einem DDC-Modell (Duplikation-Degeneration-Komplementation) ^{[ 30 ] [ 31 ]} , in dem die Funktionalität des ursprünglichen Gens auf die beiden Kopien verteilt ist. Keines der Gene kann verloren gehen, da beide nun wichtige, nicht-redundante Funktionen erfüllen, aber letztendlich ist keines in der Lage, neue Funktionen zu erlangen.

Subfunktionalisierung kann durch neutrale Prozesse erfolgen, bei denen sich Mutationen ohne schädliche oder nützliche Auswirkungen anhäufen. In manchen Fällen kann Subfunktionalisierung jedoch mit klaren adaptiven Vorteilen einhergehen. Ist ein Vorläufergen pleiotrop und erfüllt es zwei Funktionen, so kann oft keine dieser beiden Funktionen verändert werden, ohne die andere zu beeinflussen. Auf diese Weise kann die Aufteilung der Vorläuferfunktionen auf zwei separate Gene eine adaptive Spezialisierung von Subfunktionen ermöglichen und dadurch einen adaptiven Vorteil bieten. ^{[ 32 ]}

Die daraus resultierende genomische Variation führt häufig zu gendosisabhängigen neurologischen Erkrankungen wie dem Rett-Syndrom und der Pelizaeus-Merzbacher-Krankheit . ^{[ 33 ]} Solche schädlichen Mutationen gehen wahrscheinlich in der Population verloren und werden weder erhalten noch entwickeln sie neue Funktionen. Viele Duplikationen sind jedoch weder schädlich noch nützlich, und diese neutralen Sequenzen können verloren gehen oder sich durch zufällige Schwankungen im Zuge der Gendrift in der Population verbreiten .

Genduplikation kann die Genstruktur auch durch Veränderung der Genlänge beeinflussen. Partielle Duplikationen (die nur einen Genabschnitt betreffen) und Tandemduplikationen (bei denen die duplizierten Sequenzen an den ursprünglichen Locus angrenzen) können kürzere bzw. längere Genvarianten erzeugen. Im Laufe der Zeit kann das wiederholte Auftreten dieser Ereignisse zu kumulativen Veränderungen der Genlänge führen. Bei vielen Taxa lassen sich die Genlängenverteilungen gut durch logarithmische Normalverteilungen annähern, was mit solchen zugrunde liegenden multiplikativen Prozessen übereinstimmt. Vergleichende Analysen über Tausende von Arten hinweg legen nahe, dass diese durch Duplikation bedingte Dynamik zu einem langfristigen Anstieg der mittleren Genlänge beiträgt, der mit einer höheren Komplexität der Organismen korreliert. ^{[ 34 ]}

Die beiden Gene, die nach einer Genduplikation entstehen, werden als Paraloge bezeichnet und codieren üblicherweise für Proteine ​​mit ähnlicher Funktion und/oder Struktur. Im Gegensatz dazu sind orthologe Gene in verschiedenen Arten vorhanden, die jeweils von derselben Vorfahrensequenz abstammen. (Siehe Sequenzhomologie in der Genetik ).

In der biologischen Forschung ist es wichtig (aber oft schwierig), zwischen Paralogen und Orthologen zu unterscheiden. Experimente zur Funktion menschlicher Gene können häufig an anderen Spezies durchgeführt werden , wenn sich im Genom dieser Spezies ein Homolog zu einem menschlichen Gen findet – allerdings nur, wenn dieses Homolog ortholog ist. Handelt es sich um Paraloge, die durch Genduplikation entstanden sind, unterscheiden sich ihre Funktionen wahrscheinlich zu stark. Eine oder mehrere Kopien duplizierter Gene, die eine Genfamilie bilden, können durch die Insertion von Transposons beeinflusst werden. Dies führt zu erheblichen Sequenzvariationen zwischen ihnen und kann letztendlich zu divergenter Evolution führen . Aufgrund der geringeren oder fehlenden Sequenzähnlichkeit kann dies auch die Wahrscheinlichkeit und die Rate der Genkonversion zwischen den Homologen von Genduplikaten beeinflussen.

Paraloge lassen sich in einzelnen Genomen durch einen Sequenzvergleich aller annotierten Genmodelle identifizieren. Ein solcher Vergleich kann anhand übersetzter Aminosäuresequenzen (z. B. BLASTp, tBLASTx) zur Identifizierung alter Duplikationen oder anhand von DNA-Nukleotidsequenzen (z. B. BLASTn, megablast) zur Identifizierung jüngerer Duplikationen durchgeführt werden. Die meisten Studien zur Identifizierung von Genduplikationen erfordern reziproke oder unscharfe reziproke Treffer, wobei jedes Paralog der jeweils beste Treffer des anderen in einem Sequenzvergleich sein muss. ^{[ 35 ]}

Die meisten Genduplikationen liegen als Low Copy Repeats (LCRs) vor, also als hochrepetitive Sequenzen wie transponierbare Elemente. Sie finden sich hauptsächlich in perizentronomischen , subtelomeren und interstitiellen Regionen eines Chromosoms. Viele LCRs sind aufgrund ihrer Größe (>1 kb), Ähnlichkeit und Orientierung besonders anfällig für Duplikationen und Deletionen.

Technologien wie genomische Mikroarrays , auch Array-basierte vergleichende genomische Hybridisierung (Array-CGH) genannt, werden eingesetzt, um Chromosomenaberrationen wie Mikroduplikationen in genomischen DNA-Proben im Hochdurchsatzverfahren zu detektieren. Insbesondere ermöglicht die DNA- Mikroarray- Technologie die gleichzeitige Überwachung der Expressionsniveaus Tausender Gene unter verschiedenen Behandlungen oder experimentellen Bedingungen und erleichtert so evolutionäre Studien zur Genregulation nach Genduplikation oder Artbildung erheblich . ^{[ 36 ] [ 37 ]}

Genduplikationen lassen sich auch mithilfe von Next-Generation-Sequenzierungsplattformen identifizieren. Die einfachste Methode zur Erkennung von Duplikationen in genomischen Resequenzierungsdaten ist die Verwendung von Paired-End-Sequenzierungsdaten. Tandemduplikationen werden durch Sequenzierungspaare angezeigt, die in ungewöhnlicher Orientierung kartiert werden. Durch die Kombination aus erhöhter Sequenzabdeckung und ungewöhnlicher Kartierungsorientierung ist es möglich, Duplikationen in genomischen Sequenzierungsdaten zu identifizieren.

Das Internationale System für die Nomenklatur der menschlichen Zytogenomik (ISCN) ist ein internationaler Standard für die Nomenklatur menschlicher Chromosomen . Es umfasst Bandennamen, Symbole und Abkürzungen, die zur Beschreibung menschlicher Chromosomen und Chromosomenaberrationen verwendet werden. Eine Abkürzung ist beispielsweise „dup“ für Duplikationen von Chromosomenabschnitten. ^{[ 38 ]} So verursacht beispielsweise dup(17p12) die Charcot-Marie-Tooth-Krankheit Typ 1A. ^{[ 39 ]}

Genduplikation führt nicht zwangsläufig zu einer dauerhaften Veränderung des Genoms einer Art. Tatsächlich sind solche Veränderungen oft nicht über den ursprünglichen Wirtsorganismus hinaus nachweisbar. Aus molekulargenetischer Sicht ist Genamplifikation eine von vielen Möglichkeiten, ein Gen überexprimieren zu lassen . Genamplifikation kann künstlich erfolgen, beispielsweise durch die Polymerase-Kettenreaktion (PCR ) zur In-vitro -Amplifikation kurzer DNA- Stränge mithilfe von Enzymen , oder natürlich, wie oben beschrieben. Im Falle einer natürlichen Duplikation kann diese in einer somatischen Zelle stattfinden , anstatt in einer Keimzelle (was für eine dauerhafte evolutionäre Veränderung notwendig wäre).

Duplikationen von Onkogenen sind eine häufige Ursache vieler Krebsarten . In solchen Fällen findet die genetische Duplikation in einer somatischen Zelle statt und betrifft nur das Genom der Krebszellen selbst, nicht aber den gesamten Organismus oder gar dessen Nachkommen. Eine kürzlich durchgeführte umfassende Klassifizierung und Quantifizierung von Treiberereignissen auf Patientenebene in TCGA- Kohorten ergab, dass durchschnittlich 12 Treiberereignisse pro Tumor vorliegen, von denen 1,5 Amplifikationen von Onkogenen sind. ^{[ 40 ]}

Genomverdopplungen treten auch häufig bei Krebserkrankungen auf und werden in 30 bis 36 % der Tumoren der häufigsten Krebsarten nachgewiesen. ^{[ 42 ] [ 43 ]} Ihre genaue Rolle bei der Karzinogenese ist unklar, aber in einigen Fällen führen sie zu einem Verlust der Chromatinsegregation, was wiederum Chromatin-Konformationsänderungen und in der Folge onkogene epigenetische und transkriptionelle Modifikationen zur Folge hat. ^{[ 44 ]}

• Eine Bibliographie zur Gen- und Genomduplikation
• Ein kurzer Überblick über Mutation, Genduplikation und Translokation