Откуда берутся гены
У самых простых организмов всего несколько сотен генов. У сложных - десятки тысяч. Откуда берутся новые гены в течение эволюции? Появляются ли они случайно на "сыром" ДНК-материале? На самом деле - нет. Основной механизм появления новых генов - это дупликация уже имеющихся. Скопировался ген, вставился в другое место в геноме и пошел обрабатыватья мутациями и отбором, пока из него не получится нечто с новыми функциями. Старое при этом продолжает работать по-прежнему (или почти по-прежнему).
Также известно, что к появлению новых вариантов гена (очень редко - к появлению полностью новых генов) может приводить т.н. экзонизация мобильных элементов. Это когда транспозон вставляется так удачно в ДНК, что его часть становится частью экзона, т.е. начинает кодировать кусочек протеина.
Но недавно все же были найдены гены, в частности, у человека, которые, по всей видимости, появились с нуля.
Вот прошлогодняя обзорная статья по теме. Привожу вольный перевод, неполный - самое основное.
------------------------------------------------------
Со времени выхода книги Сусуму Оно Evolution by Gene Duplication (1970) является общепринятым, что появление новых генов происходит посредством дупликации уже существующих генов и последующего их расхождения на эволюционном пути. Исследования последних десятилетий, основанные на анализе секвенированных геномов, в основном подтвердили этот взгляд. В последние годы эта модель была расширена - в нее включили такие явления, как перемешивание экзонов, слияние и расщепление генов, ретротранспозицию и горизонтальный перенос. Однако эти механизмы в своей основе также дупликативны в том смысле, что последовательности, кодирующие один или несколько белков, копируются тем или иным механизмом и копии используются в качестве начального пункта для эволюции нового гена (исключением является экзонизация некодирующих мобильных элементов, таких как Alu, но этот процесс в большинстве случаев приводит к появлению новых экзонов нежели целых генов). В противоположность этому, возникновение протеин-кодирующих генов "с нуля" внутри неповторяющейся и некодирующей ДНК если и принималось, то считалось исключительно редким событием в эволюции. В самом деле, появление из "мусорной" ДНК полного функционального гена - с промотором, открытой рамкой считывания, и к тому же кодирующего работоспособный белок - кажется крайне меловероятным.
Однако в последние годы этот взгляд начал меняться, после появления в 2007 и 2008 гг. данных об именно таком возникновении нескольких генов у дрозофилы и дрожжей. Было оценено, что около 12% новых (по сравнению с предковыми организмами) генов дрозофилы могли появиться de novo из некодирующей ДНК, и без участия транспозонов. Недавно было идентифицировано 15 таких генов у приматов. Knowles и McLysagt (2009) впервые продемонстрировали de novo-появление человеческих генов уже после расхождения Homo Sapiens и шимпанзе. Они обнаружили в геноме человека три гена, которые не имеют гомологов ни в одном геноме (человека в том числе) и которые не произошли от транспозонов. Очевидно, в этом случае мутации, естественный отбор и/или нейтральный дрейф "выковали" новые рамки считывания и функциональные промоторы из сырого геномного материала.
Чтобы доказать, что это именно рождение генов с нуля, нужно не только показать, что новые гены функциональны, но и показать, что предшествующая им последовательность была нефункциональной. Поэтому авторы, во-первых, убедились, что с новых генов идет экспрессия как мРНК, так и белков. Во-вторых, они проверили ортологичные последовательности у шимпанзе и макаки. Во всех трех случаях в обезьяних ортологах они обнаружили множественные блокирующие мутации (отсутствие старт-кодонов, преждевременные стоп-кодоны, вставки/делеции) Более того, в каждом гене была по крайней мере одна блокирующая мутация, общая для ортологов шимпанзе и макаки, что предполагает отсутствие кодирующей функции по крайней мере со времени расхождения человекообразных обезьян и мартышковых около 25 миллионов лет назад. Чтобы исключить возможность того, что присутствие/отсутствие функционального гена в исследуемом месте является полиморфной фичей у шимпанзе, авторы просеквенировали эту область у отдельной индивидуальной особи шимпанзе и убедились, что мутации были и там. Все эти осторожности не гарантируют абсолютное доказательство de novo-рождения генов в линии Homo Sapiens, но они гарантируют, что эти три гена транскрибируются и транслируются у человека, но не кодировали белки у предковых приматов.
Какие совйства объединяют три новых гена? Неудивительно, у всех трех короткая рамка считывания (121-163 аминокислот) и все три не имеют интронов в кодирующей области. Интересно, что два из трех генов (у третьего только рамка считывания) располагаются внутри интронов генов, находящихся на противоположной нити ДНК. Как и для большинства других "сиротских" генов, очень мало известно об их функции. Два гена полностью не охарактеризованы. Известно, что экспрессия третьего сильно повышена при агрессивной форме хронического лимфолейкоза, но его функция остается неясной.
Эти новые гены ставят вопрос о том, как эволюция посредством отбора может привести к появлению функциональных генов из некодирующей ДНК. Хотя отдельный ген не так сложен, как целый орган, все же имеется ряд нетривиальных требований для его функциональности, например, наличие открытой рамки считывания, работоспособность закодированного белка, наличие промотора, способного инициировать транскрипцию и расположение в легкодоступной области ДНК с неплотной упаковкой хроматина. Как эти требования могут соблюстись при случайных процессах мутации, рекомбинации и нейтрального дрейфа? Возможным вариантом решения этой общей проблемы эволюции (не только генов) является преадаптация: сложные новые свойства могут появиться в результате изменения предшествующих свойств, развившихся для других целей. Например, считается, что перья птиц изначально служили для регуляции температуры, а позже адаптировались для полета. Кстати, вероятно именно этот принцип и лежит в основе появления новых генов через дупликацию: для нового гена не может быть лучшей отправной точки, чем уже существующий ген. Перекрытие трех новых генов человека с другими генами на противоположной нити ДНК указывает на "тонкую настройку" преадаптации. Гены на второй нити предоставляют благоприятные для транскрипции условия, например, гарантируя неплотную упаковку хроматина. Также они увеличивают вероятность случайного появления рамки считывания достаточно немалой длины, т.к. генам сопутствуют CpG-островки и повышенное содержание C+G. Таким образом, хотя эти новые гены и не возникли напрямую от других генов, можно сказать, что они были "на буксире" у других генов на пути к функциональности. Другими словами, материал, использованный при возникновении этих генов, не являлся фактической кодирующей последовательностью, но был частью общего геномного контекста, необходимого для протеин-кодирующей функциональности.
Это исследование убедительно демонстрирует, что геномы приматов содержат гены-сироты, не имеющие известных гомологов в других видах. Это служит важным напоминанием об ограничении стандартных методов идентификации генов, основанных на сравнении последовательностей: возможно, в геноме человека существует еще много ненайденных генов. Кроме того, это исследование показывает, что достаточно всего нескольких мутаций для появления небольшой функциональной рамки считывания с промотором. Геном большой и на каком-либо этапе эволюции может содержать последовательности, находящиеся в нескольких мутационных шагах от минимальных функциональных элементов. Можно представить процесс, когда короткие простые гены периодически возникают с нуля, затем постепенно усложняются, приобретая более длинные кодирующие области, интроны, точки альтернативного сплайсинга и далее участвуют в дупликации, вставке мобильных элементов и точечных мутациях. Таким образом, гены, идентифицированные Knowles'ом и McLysagt'ом, наряду с подобными генами дрозофилы, дрожжей и приматов могут служить связующим звеном, демистифицирующим рождение генов.
----------------------------------------------------------------
На самом деле, это все-таки слишком красочно-оптимистичное представление у него в заключении. Да и в самой статье обсуждается (у меня упущено), что пока нельзя быть на 100% уверенным, что это действительно функциональные гены, возникшие внутри действительно нефункциональной последовательности.