Duplicación xénica

Unha duplicación xénica ou amplificación xénica é unha duplicación dunha rexión do ADN que contén un xene. Cando se produce a repetición dun fragmento máis ou menos grande de cromosoma a continuación do fragmento orixinal adoita a falarse de duplicación cromosómica, termo que tamén pode significar a duplicación de cromosomas enteiros que dobran o seu número no xenoma (ver poliploidía, ploidía e aneuploidía). A duplicación xénica é un mecanismo importante para a xeración de novo material xenético durante a evolución molecular. As duplicacións xénicas poden orixinarse como resultado de varios tipos de erros na replicación do ADN e na maquinaria de reparación ou tamén pola captura fortuíta de elementos xenéticos egoístas. Fontes comúns de duplicacións xénicas son a recombinación homóloga ectópica, episodios de retrotransposición, aneuploidía, poliploidía, e slippage na replicación.^[1]

Mecanismos de duplicación

Recombinación ectópica

As duplicacións orixínanse por un fenómeno chamado sobrecruzamento desigual, que ocorre durante a meiose entre cromosomas homólogos que se alinearon mal. A probabilidade de que isto ocorra é unha función do grao en que os dous cromosomas comparten elementos repetitivos. Os produtos desta recombinación son unha duplicación no sitio de intercambio e unha deleción recíproca. A recombinación ectópica está mediada tipicamente pola semellanza de secuencia nos puntos de rotura da duplicación, os cales forman repeticións directas. Os elementos xenéticos repetitivos como os elementos transpoñibles ofrecen unha fonte de ADN repetitivo que pode facilitar a recombinación, e encóntranse a miúdo nos puntos de rotura da duplicación en plantas e mamíferos.^[2]

Esquema dunha rexión dun cromosoma antes e despois dun evento de duplicación.

Slippage na replicación

O esvaramento ou slippage na replicación é un erro na replicación do ADN, que pode producir duplicacións de secuencias xenéticas curtas. Durante a replicación, a ADN polimerase empeza a copiar o ADN, pero nalgún momento durante o proceso de replicación, a polimerase disóciase do ADN, e a replicación queda parada. Cando a polimerase se volve a unir á febra de ADN, alinéase á febra replicante nunha posición incorrecta e copia casualmente a mesma sección máis dunha vez. O slippage na replicación é tamén facilitado por secuencias repetitivas, pero require só unha semellanza dunhas poucas bases.

Retrotransposición

Durante a invasión celular por un retroelemento replicante ou retrovirus, as proteínas virais copian o seu xenoma por transcrición inversa do ARN a ADN. Se as proteínas virais se unen de forma incorrecta ao ARNm celular, poden reversotranscribir copias de xenes para crear retroxenes. Os retroxenes carecen xeralmente de secuencias intrónicas, e a miúdo conteñen secuencias poli A que están tamén integradas no xenoma. Moitos retroxenes mostran cambios na regulación xénica en comparación coas súas secuencias xénicas parentais, os cales ás veces dan lugar a novas funcións.

Aneuploidía

A aneuploidía orixínase cando a non disxunción nun determinado cromosoma orixina un número anormal de cromosomas, que aumenta ou diminúe en 1 ou máis. A aneuploidía é xeralmente nociva e nos mamíferos adoita producir abortos espontáneos. Algúns individuos aneuploides son viables, por exemplo os que teñen trisomía 21 en humanos, que orixina a síndrome de Down. A aneuploidía a miúdo altera a dose dos xenes de maneiras que son prexudiciais para o organismo, e, por tanto, é improbable que se espalle na poboación.

Duplicación de xenomas enteiros

A duplicación de xenomas enteiros, ou poliploidía é un resultado dunha non disxunción durante a meiose que orixina copias de todo o xenoma. A poliploidía é común en plantas, pero tamén se deu no decurso da evolución dos animais, por exemplo houbo dúas roldas de duplicación xenómica na liña de vertebrados que acabou dando lugar aos humanos. Despois dunha duplicación de todo o xenoma pérdense finalmente moitos conxuntos adicionais de xenes, que retornan ao estado dunha copia. Porén, o mantemento de moitos deses xenes, por exemplo os xenes Hox, orixina unha innovación adaptativa.

Os poliploides son tamén unha fonte ben coñecida de especiación, xa que a descendencia, que ten un número diferente de cromosomas comparada coa especie parental, é a miúdo incapaz de cruzarse con organisos non poliploides. As duplicacións de xenomas completos crese que son menos prexudiciais que a aneuploidía, xa que a dose relativa dun xene debería ser a mesma.

A duplicación xénica como evento evolutivo

Evolución de xenes duplicados.

Neofuncionalización

As duplicacións xénicas son fontes esenciais de novidades xenéticas que poden levar a unha innovación evolutiva. A duplicación crea redundancia xenética, na que a segunda copia do xene está a miúdo libre de presión selectiva, é dicir, as mutacións que puidesen aparecer nela non terían efectos deletéreos para o seu organismo hóspede. Se unha copia dun xene experimenta unha mutación que afecta á súa función orixinal, a segunda copia pode servir como unha peza de reserva ou recambio e continuar funcionando correctamente. Deste xeito, os xenes duplicados acumulan mutacións máis rápido que un xene dunha soa copia funcional, co paso das xeracións do organismo, e é posible para unha das dúas copias desenvolver unha nova función diferente da anterior. Un exemplo desta neofuncionalización é a mutación aparente dun xene dixestivo duplicado na familia dos peixes Notothenioidei de augas xeadas formando un xene anticonxelante, ou a duplicación que deu lugar a un novo veleno de serpe^[3] ou a síntese da 1 beta-hidroxitestosterona.^[4]

Pénsase que a duplicación xénica xoga un importante papel na evolución, como se vén mantendo na comunidade científica desde hai uns 100 anos.^[5] Susumu Ohno foi un dos máis famosos desenvolvedores desta teoría no seu libro clásico Evolution by gene duplication (1970).^[6] Nel, Ohno argumenta que a duplicación xénica é a forza evolutiva máis importante desde a emerxencia do antepasado común universal.^[7] Os eventos importantes de duplicación xenómica poden ser bastante comúns. Crese que o xenoma completo do lévedo experimentou duplicación nos seus devanceiros de hai uns 100 millóns de anos.^[8] As plantas son os organismos que con máis frecuencia duplican os xenomas. Por exemplo, o trigo é hexaploide (un tipo de poliploidía con seis xogos de cromosomas).

Subfuncionalización

Outro posible destino que pode acabar tendo un xene duplicado é que ambas as copias teñan a mesma liberdade de acumular mutacións dexenerativas, con tal de que os defectos que aparezan sexan complementados pola outra copia. Isto dá lugar a unha "subfuncionalización" neutra ou modelo DDC (duplicación-dexeneración-complementación),^[9][10] no cal a funcionalidade do xene orixinal está distribuída entre as dúas copias. Ningún dos dous xenes pode perderse, xa que agora ambos os dous realizan importantes funcións non redundantes, pero finalmente ningún dos dous pode conseguir ter unha función nova.

A subfuncionalización pode ocorrer por medio de procesos neutros nos cales se acumulan as mutacións sen efectos beneficiosos nin prexudiciais. Porén, nalgúns casos a subfuncionalización pode ocorrer con beneficios adaptativos claros. No caso de que un xene ancestral sexa pleiotrópico e realice dúas funcións, con frecuencia non pode cambiarse ningunha das dúas funcións sen afectar á outra función. Deste modo, repartir as dúas funcións ancestrais en dous xenes separados pode permitir a especialización adaptativa de subfuncións, proporcionando deste modo un beneficio adaptativo.^[11]

Perda

Con frecuencia, a variación xenómica resultante orixina trastornos neurolóxicos dependentes da dose do xene como síndromes do tipo da de Rett e a enfermidade de Pelizaeus-Merzbacher.^[12] Estas mutacións prexudiciais é probable que se perdan da poboación e non se preserven nin desenvolvan novas función. Porén, moitas duplicacións non son de feito nin prexudiciais nin beneficiosas, e estas secuencias neutras poden perderse ou espallarse pola poboación por medio de flutuacións aleatorias causadas por deriva xenética.

Identificación de duplicacións en xenomas secuenciados

Criterios e escaneos de xenoma simple

Os dous xenes que existen despois dun evento de duplicación xénica denomínanse parálogos e xeralmente codifican proteínas cunha función e/ou estrutura similar. Ao contrario, os xenes ortólogos están presentes en diferentes especies e derivaron orixinalmente da mesma secuencia ancestral. (Ver tamén Homoloxía de secuencias).

É importante (pero a miúdo difícil) diferenciar entre parálogos e ortólogos na investigación biolóxica. A miúdo os experimentos sobre a función de xenes humanos poden levarse a cabo noutras especies se se atopa un homólog do xene humano no xenoma desa outra especie, pero soamente se o homólogo é ortólogo. Se son parálogos e se orixinaron por un evento de duplicación xénica, as súas funcións van ser probablemente diferentes. Unha ou máis copias de xenes duplicados que constitúen unha familia xénica poden ser afectadas por unha inserción dun elemento transpoñible que causa unha variación significativa entre eles na súa secuencia e finalmente pode chegar a ser responsable de evolución diverxente. Isto pode tamén facer que a taxa de conversión xénica entre os homólogos do xene se duplique debido a que hai menos ou ningunha semellanza nas súas secuencias.

Os parálogos poden identificarse en xenomas simples por unha comparación de secuencias de todos os modelos de xenes anotados entre si. Esta comparación pode realizarse en secuencias de aminoácidos traducidas (por exemplo, BLASTp, tBLASTx) para identificar duplicacións antigas ou en secuencias de nucleótidos de ADN (por exemplo, BLASTn, megablast) para identificar duplicacións máis recentes. Na maioría dos estudos para identificar duplicacións xénicas cada parálogo debe ser a mellor coincidencia sinxela dos outros nunha comparación de secuencias.^[13]

A maioría das duplicacións son repeticións de copia baixa (LCRs) e non secuencias altamente repetitivas como elementos transpoñibles. Atópanse principalmente en rexións cromosómicas pericentronómicas, subteloméricas e intersticiais. Moitas LCRs, debido ao seu tamaño (>1Kb), semellanza e orientación, son moi susceptibles a sufriren duplicacións e delecións.

Micromatrices xenómicas para detectar duplicacións

Para detectar anormalidades cromosómicas úsanse tecnoloxías como an micromatrices (microarrays) xenómicas, tamén chamadas matriz de hibridación xenómica comparativa (array CGH), de alto rendemento a partir de mostras de ADN. En particular, a tecnoloxía das micromatrices de ADN pode monitorizar simultaneamente os niveis de expresión xénica de miles de xenes en moitos tratamentos ou en condicións experimentais, facilitando enormemente os estudos evolutivos da regulación xénica despois dunha duplicación xénica ou a especiación.^[14][15]

Secuenciación de seguinte xeración

As duplicacións xénicas poden tamén identificarse utilizando plataformas de secuenciación de seguinte xeración. Os medios máis simples de identificar duplicacións en datos de resecuenciación xenómica é usando lecturas de secuenciación de extremos emparellados (paired-end sequencing). As duplicacións en tándem están indicadas por pares de lecturas de secuenciación que se mapean en orientacións anormais. Por medio dunha combinación de cobertura de secuencia incrementada e orientación de mapeo anormal, é posible identificar duplicacións nos datos da secuenciación xenómica.

Duplicación xénica como amplificación

A duplicación xénica non constitúe necesariamente un cambio duradeiro no xenoma dunha especie. De feito, tales cambios a miúdo non perduran máis alá do organismo hóspede iniial. Desde a perspectiva da xenética molecular, a amplificación é unha das moitas vías nas cales un xene pode sobreexpresarse. O termo amplificación úsase tamén cando esta ocorre artificialmente, como cando se usa a técnica da reacción en cadea da polimerase para amplificar curtas febras de ADN in vitro utilizando encimas, é dicir, para facer numerosas copias desa febra. Tamén pode ocorrer de forma natural, como se describiu arriba. Se é unha duplicación natural, pode tamén ter lugar nunha célula somática, en vez de nunha célula da liña xerminal (o que sería necesario para que houbese un cambio evolutivo duradeiro).

Papel no cancro

As duplicacións de oncoxenes son unha causa común de moitos tipos de cancro. Neses casos a duplicación xénica ocorre nunha célula somática e afecta só ao xenoma das propias células tumorais, e non a todo o organismo nin á descendencia.

Amplicacións de oncoxenes comúns en cancros humanos

Tipo de cancro	Amplificacións do xene asociado	Frecuencia da amplificación no tipo de cancro (porcentaxe)
Cancro de mama	MYC	20[16]
	ERBB2 (EGFR)	20[16]
	CCND1 (Ciclina D1)	15-20[16]
	FGFR1	12[16]
	FGFR2	12[16]
Cancro cervical	MYC	25-50[16]
	ERBB2	20[16]
Cancro colorrectal	HRAS	30[16]
	KRAS	20[16]
	MYB	15-20[16]
Cancro esofáxico	MYC	40[16]
	CCND1	25[16]
	MDM2	13[16]
Cancro gástrico	CCNE (Ciclina E)	15[16]
	KRAS	10[16]
	MET	10[16]
Glioblastoma	ERBB1 (EGFR)	33-50[16]
	CDK4	15[16]
Cancro de pescozo e cabeza	CCND1	50[16]
	ERBB1	10[16]
	MYC	7-10[16]
Cancro hepatocelular	CCND1	13[16]
Neuroblastoma	MYCN	20-25[16]
Cancro ovárico	MYC	20-30[16]
	ERBB2	15-30[16]
	AKT2	12[16]
Sarcoma	MDM2	10-30[16]
	CDK4	10[16]
Cancro pulmonar de células pequenas	MYC	15-20[16]

Notas

1. Zhang J (2003). "Evolution by gene duplication: an update". Trends in Ecology & Evolution 18 (6): 292–8. doi:10.1016/S0169-5347(03)00033-8. 
2. "Copia arquivada". Arquivado dende o orixinal o 06 de marzo de 2014. Consultado o 26 de febreiro de 2014. 
3. Lynch, Vincent J (2007). "Inventing an arsenal: adaptive evolution and neofunctionalization of snake venom phospholipase A2 genes". BMC Evolutionary Biology 7:2. PMC 1783844. PMID 17233905. doi:10.1186/1471-2148-7-2. 
4. "Turning a hobby into a job: How duplicated genes find new functions". Nature Reviews Genetics 9: 938–950. 2008. doi:10.1038/nrg2482. 
5. Taylor JS, Raes J (2004). "Duplication and divergence: the evolution of new genes and old ideas". Annu. Rev. Genet. 38: 615–43. PMID 15568988. doi:10.1146/annurev.genet.38.072902.092831. 
6. Ohno, S. (1970). Evolution by gene duplication. Springer-Verlag. ISBN 0-04-575015-7. 
7. Ohno, S. (1967). Sex Chromosomes and Sex-linked Genes. Springer-Verlag. ISBN 91-554-5776-2. 
8. Kellis M, Birren BW, Lander ES (April 2004). "Proof and evolutionary analysis of ancient genome duplication in the yeast Saccharomyces cerevisiae". Nature 428 (6983): 617–24. PMID 15004568. doi:10.1038/nature02424. 
9. Force A., Lynch M., Pickett F. B., Amores A., Yan Y. L. and Postlethwait J. (1999). "Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations.". Genetics 151 (4): 1531–1545. PMC 1460548. PMID 10101175. 
10. Stoltzfus, A. (1999). "On the possibility of constructive neutral evolution.". J Mol Evol 49 (2): 169–181. PMID 10441669. doi:10.1007/PL00006540. 
11. "Escape from adaptive conflict after duplication in an anthocyanin pathway gene". Nature 454: 762–765. 2008. doi:10.1038/nature07092. 
12. Lee JA, Lupski JR (October 2006). "Genomic rearrangements and gene copy-number alterations as a cause of nervous system disorders". Neuron 52 (1): 103–21. PMID 17015230. doi:10.1016/j.neuron.2006.09.027. 
13. Hahn MW, Han MV, Han S-G (2007). "Gene Family Evolution across 12 Drosophila Genomes". PLoS Genet 3(11): e197. doi:10.1371/journal.pgen.0030197. 
14. Mao R, Pevsner J (2005). "The use of genomic microarrays to study chromosomal abnormalities in mental retardation". Ment Retard Dev Disabil Res Rev 11 (4): 279–85. PMID 16240409. doi:10.1002/mrdd.20082. 
15. Gu X, Zhang Z, Huang W (January 2005). "Rapid evolution of expression and regulatory divergences after yeast gene duplication". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (3): 707–12. PMC 545572. PMID 15647348. doi:10.1073/pnas.0409186102. 
16. Page 116 in: Kinzler, Kenneth W.; Vogelstein, Bert (2002). The genetic basis of human cancer. New York: McGraw-Hill, Medical Pub. Division. ISBN 0-07-137050-1. 

Véxase tamén

Outros artigos

• Pseudoxene
• Evolución molecular
• Sobrecruzamento desigual
• Xenoma humano

Ligazóns externas

• Breve resumo sobre mutacións, duplicacións xénicas e translocacións