פסאודוגן

פסאודוגן (באנגלית: Pseudogene) הוא מקטע DNA הדומה במקורו וברצפו לגן פעיל, אך ברב המקרים איבד את הפעילות. איבוד הפעילות קורה, בין היתר, כתוצאה ממוטציות הפוגעות במסגרת הקריאה הפתוחה (Frameshift mutation) של הגן או השמטת רצפי בקרה. פסאודוגנים נמצאים בגנום של כמעט כל צורות החיים שנחקרו ומסומנים באות היוונית פסי (ψ). פסאודוגנים נפוצים למדי ומהווים בין 1% ל-5% מהגנום של האדם. פסאודוגנים נוצרים, בעיקר, בעקבות אירועי הכפלה של המידע הגנטי (Gene duplication) או reverse transcription (הפיכת RNA ל-DNA) של mRNA בוגר שמשתלב בתוך הגנום. המונח נטבע באוניברסיטת קיימברידג' בשנת 1977 על ידי קלוד ז'אק (Claude Jacq)., בכדי לתאר גן קטוע של 5SrRNA - רנ"א ריבוזומאלי, בצפרדע רפואית מצויה (Xenopus laevis). מקטעי גן קטועים נמצאו באופן דומה בגן של 5SrRNA באורגניזמים רב תאיים (מטזואה). בעבר, פסאודוגנים נקראו מאובנים גנומיים והיחס אליהם היה כאל דנ"א נטול חשיבות תפקודית, אך עם התקדמות המחקר נתגלה, כי פסאודגונים רבים דווקא בעלי פעילות חשובה. כיום ידועים שלושה סוגי פסאודוגנים, הנבדלים במנגנון היווצרותם ובמאפייניהם: processed pseudogenes (פסאודוגנים ערוכים) – בגנום אאוקריוטי, אחד הגורמים המשפיעים על מבנה הגנום ועל הגיוון הגנטי הוא אירועי רטרוטרנספוזיציה. רטרוטרנספוזיציה היא אירוע במהלכו מקטע גנטי מועתק ומוכנס במקום אחר בגנום. במהלך אירוע כזה, ייתכן כי חלק מהמקטע הגנטי של mRNA בוגר (לאחר שחבור, ללא אינטרונים, לרב עם זנב poly A) יעבור reverse transcription באופן אקראי ויוכנס לתוך הגנום. הקבוצה הגדולה ביותר בתת-הסוג של פסאודוגנים ערוכים היא ribosomal protein pseudogene המהווה 22.4% מהפסאודוגנים הערוכים. בשל היותם תוצר של,RNA הפסאודוגנים ה"ערוכים" הם חסרי אלמנטי בקרה, במיוחד פרומוטרים. עד היום התגלו לפחות 8,000 פסאודוגנים בגנום האדם שהם פסאודגונים ערוכים. Unprocessed pseudogenes (פסאודגונים לא ערוכים) – מקורם בהכפלה של רצפי גנים (דופליקציה). דופליקאציה יכולה להיווצר, למשל, באירוע טעות במהלך שחלוף (רקומבינציה הומולוגית) באזורים המכילים רצפים חוזרים. תוצר הדופליקאציה צובר מוטציות בתדירות גבוהה עד שינוי ואף איבוד פעילותו המקורית. זאת, מכיוון שגן המקור הפעיל עדיין נמצא בגנום, ומתוך כך ההשפעה של צבירת המוטציות בפסאודוגן על הכשירות של האורגניזם לרוב מועטה. Unitary pseudogenes (פסאודוגן יחידני) – זו קבוצה מצומצמת של פסאודוגנים שנוצרים ללא הכפלה. גן עשוי לצבור מוטציות נקודתית, הוספה או מחיקה של מקטעים ובכך לאבד את פעילותו. מוטציות אלו עשויות לפגוע בפעילות של הגן עד למצב אובדן גן פעיל מן הגנום. גנים שאיבדו פעילות בצורה זו נקראים Unitary pseudogene פסאודוגנים בגנום האאוקריוטי מזוהים על ידי שילוב בין אנליזה ממוחשבת של השוואת רצפי DNA לרצפים של גנים פעילים ובדיקת הפעילות של הגן. באנליזה הממוחשבת נעשית השוואה בין רצפי DNA והעמדתם זה מול זה (sequence alignment) בנוסף לחישוב של אחוז זוגות הבסיסים הזהים ואיתור מוטאציות היוצרות קודוני סיום. בדיקת הפעילות של הגן יכולה להיעשות ברמת תעתוק (RNA), תרגום, או קיפול החלבון. אם הפעילות אינה ניכרת ברצף ה-DNA הנבדק באחד מתהליכים, הרצף עשוי להיחשב כלא פעיל, כלומר ייתכן שהוא פסאודוגן. במקרה של פסאודוגנים ערוכים, יתגלה ברצף החשוב כפסאודוגן היעדר אינטרונים, ומוטציות פסק שקוטעות את מסגרת הקריאה הפתוחה ביחס לגן ה"הורי"- גן המקור. טעות בזיהוי רצף כפסאודוגן ידועה בכינוי פסאודו-פסאודגן. זיהוי הסוג הזה נוצר בעקבות ההתפשטות המהירה של טכנולוגית לריצוף דנ"א שזיהו הרבה מקרים בהם הפסאודו-פסאודגן נראה כפסאודגן על ידי בדיקה ראשונית בה זוהו על ידי הופעת קודון עצירה בטרם עת ברצף mRNA צפוי. בתאוריה, קודון זה אמור למנוע תרגום של תוצר החלבון התקין של הגן המקורי. כתוצאה מכך, מצד אחד הוא אינו מתפקד כגן המקורי, אך עדיין בעל חשיבות וחלק מהחלבון עדיין מתפקד בצורה כלשהי, מכאן הגיע שמו פסאודו-פסאודגן. בשל כך הפסאודו-פסאודוגן עשוי להיות נתון תחת הברירה הטבעית. עקב ההגדרה המאתגרת של פסאודוגנים, לעיתים גנים סווגו בצורה לא נכונה כפסאודגונים. אך התגלו כגנים פונקציונלים. דוגמה לכך היא הגן בבני האדם המקודד מוטאז פוספוגליצארט, שמוטציות בו גורמות לאי פריון. הגן הנקרא PGAM4 סווג בעבר כפסאודוגן אבל התברר כי הוא גן פונקציונלי. עד היום, פסאודוגנים מעובדים מהווים לעיתים קרובות בעיה עבור תוכנות המזהות דנ"א (Gene prediction programs) ולעיתים קרובות מזוהים באופן שגוי כגנים או אקסונים אמיתיים. כמו כן נמצאו כ-140 פסאודוגנים אנושיים מתורגמים. עם זאת, התפקוד של תוצרי חלבון אלה אינה ידועה. ייתכן שפסאודוגנים אינם אלא שיקוף לדרך הופעתם של גנים חדשים בגנום. כחלק מהמחקר הגנומי, הורחב גם חקר הפסאודוגנים, בין היתר הפסאודוגנים הקיימים בגנום הדרוזופילה (Drosophila,זבוב הפירות). פסאודוגנים הם נדירים יחסית בדרוזופילה, ביחס לחולייתנים. אבולוציית הדנ"א של רבים מהפסאודוגנים שנמצאו בדרוזופילה גילתה, כי הם מוגבלים יחסית מבחינת תפקודם. ישנה פחות שונות ברצף שלהם ומתרחשת בהם החלפת חומצות אמינו בתדירות גבוהה יותר ביחס לגנים פעילים, יחד עם שימור אזורים בעלי פעילות. שני גנים של דרוזופילה שבעבר הוגדרו כפסאודוגנים נמצאו כגנים בעלי פעילות. מבחינה אבולוציונית, ישנה סברה כי מספר מוטציות גבוה בגנים שאינם פעילים, לא מקנות יתרון או מהוות חיסרון כלשהו עבור האורגניזם, ועל כן לא משפיעות על כשירותו. אולם הדפוסים של אבולוציית פסאודוגנים אינם עולים בקנה אחד עם דפוסי האבולוציה הנייטרלית המצופים והם דווקא חשופים ללחצי סלקציה. טענה זו נתמכה במחקר של אורגניזמים אחרים מלבד דרוזופילה, למשל בתרנגולת, שבפסאודוגנים בגנום שלה זוהו פחות מוטציות פסק (שגורמות לחוסר פעילות של הגן) מהמצופה עבור פסאודוגנים. במשך שנים רבות הניחו כי פסאודוגנים מעובדים בגנום לא עוברים תעתוק בשל איבוד אלמנטי בקרה סמוכים (בציס). עם התקדמות המחקר בנושא והכלים העומדים לרשות החוקרים, התגלו פסאודוגנים רבים שעוברים תעתוק. למשל, PKG2 – פסאודוגן מעובד של הגן המקודד לאנזים פוספוגליצראט קינאז באדם. כצפוי מרצף שעבר reverse transcription (יצירת רצף cDNA על פי RNA שמשמש כתבנית באמצעות האנזים reverse transcriptase) הוא חסר אינטרונים של הגן המקורי ולמרות זאת מתבטא ומתפקד באשכים. משמעות הדבר היא, שהרצף עבר אינטגרציה לאזור בגנום בעל אזור בקרה ספציפי לרקמה. NOTCH2NL הוא גן שפעילות התוצר שלו במסגרת מערכת העברת האותות בין נוירונים במערכת העצבים, שמורה אבולוציונית בקרב בעלי חיים רבים לרבות יונקים וחולייתנים. NOTCH2NL התגלה באדם כמעורב בהתפתחות הנוירונים בקורטקס, ויש בו מחצית מהרצף המקודד ביחס לגן המקורי NOTCH. הסברה היא, כי זהו אחד מתוצרי השיחבור של NOTCH שעבר reverse transcription ואינטגרציה לגנום. במקרה של גן זה, נשמר הקידוד לחלבון למרות קיטוע מסגרת הקריאה ביחס לגן המקורי. פסאודוגנים קיימים בכל צורות החיים הידועות ורוב הפסאודוגנים שנתגלו בחיידקים, מצויים בחיידקים שלא יכולים לשרוד באופן עצמאי – בטפילים או סימביונטיים – שמקיימים יחסי גומלין הנחוצים להישרדותם עם הפונדקאי. במהלך הסתגלות של אורגניזם לאורח חיים טפילי, תפקודים רבים של גנים עשויים להפוך למיותרים, מפני שהפונדקאי מספק חלק גדול מצרכיהם. הפיכתם של גנים מסוימים ל"מיותרים" מייצרת "ברירת הפחתה" – (Reductive evolution). למשל, החיידק Mycobacterium leprae הגורם למחלת הצרעת איבד כרבע מהגנים שלו בהשוואה בין הגנום שלו לבין מין קרוב אליו, Mycobacterium tuberculosis. שאריות מגנים אלו שאבדו והיו בעלי פעילות, מוערכות כעת כ־1,114 פסאודוגנים בגנום של Mycobacterium leprae. השוואה בין הגנומים של Shigella flexneri (אנ'), ו-Escherichia coli הראתה כי 254 גנים הפכו ללא פעילים אצל S. flexneri. טרנספוזון שחבור מדיה וקבצים בנושא פסאודוגן בוויקישיתוף נועם לויתן ויונת אשחר, ‏אבולוציה בלי שיניים, באתר "הידען" מאגר הפסאודוגנים במעבדת גרסטיין באוניברסיטת ייל A. B. Makar, K. E. McMartin, M. Palese, T. R. Tephly, Formate assay in body fluids: application in methanol poisoning, Biochemical Medicine 13, 1975-06, עמ' 117–126 doi: 10.1016/0006-2944(75)90147-7 Seth W. Cheetham, Geoffrey J. Faulkner, Marcel E. Dinger, Overcoming challenges and dogmas to understand the functions of pseudogenes, Nature Reviews Genetics 21, 2019-12-17, עמ' 191–201 doi: 10.1038/s41576-019-0196-1 Wen-Ling Chan, Chung-Yee Yuo, Wen-Kuang Yang, Shih-Ya Hung, Transcribed pseudogene ψPPM1K generates endogenous siRNA to suppress oncogenic cell growth in hepatocellular carcinoma, Nucleic Acids Research 41, 2013-02-01, עמ' 3734–3747 doi: 10.1093/nar/gkt047 Ian Goodhead, Alistair C Darby, Taking the pseudo out of pseudogenes, Current Opinion in Microbiology 23, 2015-02, עמ' 102–109 doi: 10.1016/j.mib.2014.11.012 C. Jacq, J.R. Miller, G.G. Brownlee, A pseudogene structure in 5S DNA of Xenopus laevis, Cell 12, 1977-09, עמ' 109–120 doi: 10.1016/0092-8674(77)90189-1 Evgeniy S. Balakirev, Francisco J. Ayala, Pseudogenes: Are They “Junk” or Functional DNA?, Annual Review of Genetics 37, 2003-12, עמ' 123–151 doi: 10.1146/annurev.genet.37.040103.103949 Xu Chen, Lin Wan, Wei Wang, Wen-Jin Xi, Re-recognition of pseudogenes: From molecular to clinical applications, Theranostics 10, 2020, עמ' 1479–1499 doi: 10.7150/thno.40659 Z. Zhang, Millions of Years of Evolution Preserved: A Comprehensive Catalog of the Processed Pseudogenes in the Human Genome, Genome Research 13, 2003-12-01, עמ' 2541–2558 doi: 10.1101/gr.1429003 Pseudogene - an overview | ScienceDirect Topics, www.sciencedirect.com Ammad Aslam Khan, Muhammad Shahryar Ali, Farah Babar, Anees Fatima, Lack of CpG islands in human unitary pseudogenes and its implication, Mammalian Genome 32, 2021-07-16, עמ' 443–447 doi: 10.1007/s00335-021-09893-1 Daniel R. Zerbino, Adam Frankish, Paul Flicek, Progress, Challenges, and Surprises in Annotating the Human Genome, Annual Review of Genomics and Human Genetics 21, 2020-08-31, עמ' 55–79 doi: 10.1146/annurev-genom-121119-083418 Lucia L. Prieto-Godino, Raphael Rytz, Benoîte Bargeton, Liliane Abuin, Olfactory receptor pseudo-pseudogenes, Nature 539, 2016-10-24, עמ' 93–97 doi: 10.1038/nature19824 Herman A Dierick, Julian F.B Mercer, Thomas W Glover, A phosphoglycerate mutase brain isoform (PGAM 1) pseudogene is localized within the human Menkes disease gene (ATP7A), Gene 198, 1997-10, עמ' 37–41 doi: 10.1016/s0378-1119(97)00289-8 Hidenobu Okuda, Akira Tsujimura, Shinji Irie, Keisuke Yamamoto, A Single Nucleotide Polymorphism within the Novel Sex-Linked Testis-Specific Retrotransposed PGAM4 Gene Influences Human Male Fertility, PLoS ONE 7, 2012-05-09, עמ' e35195 doi: 10.1371/journal.pone.0035195 Qi Jin, Hong Pan, Binbin Wang, Jing Wang, The PGAM4 gene in non-obstructive azoospermia, Systems Biology in Reproductive Medicine 59, 2013-05, עמ' 179–183 doi: 10.3109/19396368.2013.783887 Marijke J. van Baren, Michael R. Brent, Iterative gene prediction and pseudogene removal improves genome annotation, Genome Research 16, 2006-05, עמ' 678–685 doi: 10.1101/gr.4766206 Srikanth Srinivas Manda, Raja Sekhar Nirujogi, Sneha Maria Pinto, Min-Sik Kim, Identification and Characterization of Proteins Encoded by Chromosome 12 as Part of Chromosome-centric Human Proteome Project, Journal of Proteome Research 13, 2014-06-24, עמ' 3166–3177 doi: 10.1021/pr401123v Emna Ouni, Didier Vertommen, Maria Costanza Chiti, Marie-Madeleine Dolmans, A Draft Map of the Human Ovarian Proteome for Tissue Engineering and Clinical Applications, Molecular & Cellular Proteomics 18, 2019-03, עמ' S159–S173 doi: 10.1074/mcp.ra117.000469 P. M. Harrison, Identification of pseudogenes in the Drosophila melanogaster genome, Nucleic Acids Research 31, 2003-02-01, עמ' 1033–1037 doi: 10.1093/nar/gkg169 Jianbo Xie, Ying Li, Xiaomin Liu, Yiyang Zhao, Evolutionary Origins of Pseudogenes and Their Association with Regulatory Sequences in Plants, The Plant Cell 31, 2019-02-13, עמ' 563–578 doi: 10.1105/tpc.18.00601 W T McCormack, C B Thompson, Chicken IgL variable region gene conversions display pseudogene donor preference and 5' to 3' polarity., Genes & Development 4, 1990-04, עמ' 548–558 doi: 10.1101/gad.4.4.548 John R. McCarrey, Kelwyn Thomas, Human testis-specific PGK gene lacks introns and possesses characteristics of a processed gene, Nature 326, 1987-04-01, עמ' 501–505 doi: 10.1038/326501a0 Baocheng Guo, Ming Zou, Takahiro Sakamoto, Hideki Innan, Functional Innovation through Gene Duplication Followed by Frameshift Mutation, Genes 13, 2022-01-21, עמ' 190 doi: 10.3390/genes13020190 Ye Feng, Zhe Chen, Shu-Lin Liu, Gene Decay in Shigella as an Incipient Stage of Host-Adaptation, PLoS ONE 6, 2011-11-16, עמ' e27754 doi: 10.1371/journal.pone.0027754 Tal Dagan, Ran Blekhman, Dan Graur, The “Domino Theory” of Gene Death: Gradual and Mass Gene Extinction Events in Three Lineages of Obligate Symbiotic Bacterial Pathogens, Molecular Biology and Evolution 23, 2005-10-19, עמ' 310–316 doi: 10.1093/molbev/msj036