Pseudogeny: definice, vznik a evoluční význam v genomu

Pseudogeny: co jsou, jak vznikají a jak odhalují evoluční dějiny genomu. Přehled definice, mechanismů vzniku a jejich biologického a regulačního významu.

Pseudogeny jsou geny, které ztratily svou funkci. Ztratily svou genovou expresi v buňce nebo schopnost kódovat bílkoviny. Tento termín byl zaveden v roce 1977.

Pseudogeny mohou být výsledkem mutací v genu, jehož produkt není pro přežití organismu potřebný. Ačkoli pseudogeny nekódují bílkoviny, jejich DNA může být funkční. Může být podobná jiným druhům nekódující DNA, které mají regulační úlohu.

Většina z nich má některé znaky podobné genům. Chybí jim schopnost kódovat bílkoviny, což je důsledkem různých vyřazujících mutací nebo neschopnosti kódovat RNA (například u pseudogenů rRNA).

Pseudogeny jsou obecně považovány za poslední zastávku genomového materiálu, který má být z genomu odstraněn, proto jsou často označovány jako nevyžádaná DNA. Pseudogeny obsahují ve svých sekvencích fascinující biologickou a evoluční historii. Je to dáno společným původem pseudogenu s funkčním genem. Stejně jako Darwin uvažoval o dvou druzích, které mají společného předka, po němž následovaly miliony let evoluční divergence (viz speciace), pseudogen a s ním spojený funkční gen také sdílejí společného předka a během milionů let se rozdělili jako samostatné genetické entity.

Typy pseudogenů

• Retropseudogeny (processed) – vznikají zpětnou transkripcí mRNA a její reintegrací do genomu. Typicky postrádají introny, často mají zbytky poly(A) ocasu a mohou být obklopeny krátkými cílovými duplicitami. Vzhledem k tomu, že nemají původní promotor, obvykle nejsou exprimované.
• Duplikované (unprocessed) pseudogeny – vznikají duplikací genu, přičemž jedna kopie postupně akumuluje inaktivující mutace (stop-kodony, posun čtecího rámce). Zachovávají intron–exonovou strukturu rodičovského genu.
• Unitární pseudogeny – vzniknou přímo z jediného funkčního genu, který je inaktivován mutací bez předchozí duplikace; takový gen nemá funkční paralogu v genomu.

Molekulární znaky a identifikace

Pseudogeny se lokalizují na základě sekvenční podobnosti s funkčními geny, ale vykazují znaky inaktivace:

• přítomnost premature stop kodonů nebo posunů čtecího rámce (frameshifts),
• chybějící promotorové sekvence nebo regulační elementy,
• absentní introny u retropseudogenů a přítomnost poly(A) reliktů,
• náznaky degenerace jako časté delece, inserce nebo silná akumulace nezatížených substitucí.

Bioinformatické nástroje (např. PseudoPipe, PseudoFinder a další) porovnávají genomové sekvence s katalogy proteomových sekvencí a hledají tyto charakteristické znaky. Identifikace je však složitá kvůli vysoké podobnosti s funkčními geny a fragmentaci sekvencí.

Funkce a biologický význam

Pseudogeny nejsou vždy zcela „nefunkční“. I když nekódují protein, jejich sekvence a transkripty mohou mít biologické role:

• některé pseudogeny jsou transkribovány a jejich RNA může působit jako antisense RNA, konkurovat o mikroRNA (ceRNA) nebo generovat malé RNA (siRNA) regulující expresi rodičovského genu;
• pseudogeny mohou být zdrojem sekvenční variability, která umožní vznik nových funkcí (exaptace, neofunkcionalizace);
• účastní se procesů jako gene conversion, kdy dochází k přenosu sekvenčních změn mezi genem a jeho pseudogenem, což může ovlivnit evoluci a i vznik patogenních variant;
• působí jako „genomové fosilie“ – uchovávají stopu původní sekvence a pomáhají rekonstruovat evoluční historii genů a druhů.

Evoluční význam

Pseudogeny často akumulují mutace relativně volně (pod levičným selekčním tlakem), proto slouží jako ukazatel neutrálního evolučního tempa. Sdílené pseudogeny u dvou druhů představují silný důkaz společného původu a mohou pomoci časovat evoluční události. Na druhou stranu některé pseudogeny podléhají selekci (např. udržení transkripčního elementu) a jejich evoluce tak není čistě neutrální.

Pseudogeny v lidském genomu a klinické souvislosti

Lidský genom obsahuje tisíce pseudogenů (včetně rozdrobených fragmentů a různých kategorií). Některé z nich mají prokázaný regulační vliv na geny zodpovědné za buněčné procesy. Příklady klinického významu:

• pseudogeny mohou interferovat s analýzou sekvenování (chybné mapování na rodičovský gen),
• genová konverze mezi genem a pseudogenem může vést k přenosu patogenní mutace a způsobit dědičnou chorobu,
• pseudogenové transkripty mohou sloužit jako biomarkery nebo ovlivňovat expresi tumor-supresorů či onkogenů (např. známé případy regulace PTEN přes jeho pseudogen PTENP1).

Metody, problémy a perspektivy výzkumu

Výzvy v práci s pseudogeny zahrnují:

• správné rozlišení mezi funkčními geny a pseudogeny při anotaci genomu,
• technické potíže při mapování krátkých sekvencí v oblastech s vysokou homologii,
• nutnost kombinovat genomické, transkriptomické a epigenetické údaje pro zjištění, zda je pseudogen transkribován a jakou má roli.

Budoucí výzkum se soustředí na detailní charakterizaci funkcionality transkribovaných pseudogenů, jejich míru zapojení v regulačních sítích a na využití pseudogenů v molekulárně‑evolučních studiích či medicínských aplikacích.

Stručné shrnutí: pseudogeny jsou „inaktivní“ odnože genů, které slouží jako důležitý zdroj informací o evoluci, mohou mít regulační funkce a představují jak výzvu, tak příležitost v genomové anotaci a biomedicínském výzkumu.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co jsou pseudogeny?

Otázka: Kdy vznikl termín "pseudogeny"?

Otázka: Jak pseudogeny vznikají?

Otázka: Je DNA pseudogenů funkční?

Otázka: Proč jsou pseudogeny často označovány jako nevyžádaná DNA?

Otázka: Mají pseudogeny nějaké vlastnosti podobné genům?

Otázka: Jakou biologickou a evoluční historii obsahují pseudogeny?

Hledání podle dopisu