Orfaj genoj

Orfaj genoj (ankaŭ nomataj "ORFuloj" precipe en primikroba literaturo) estas genoj sen mezureblaj homologoj en aliaj genlinioj. Orfoj estas subaro de taksonomie restriktitaj genoj (TRG), kiuj estas unikaj al specifa taksonomia nivelo (ekz. planto-specifa). Kontraste al neorfaj TRG-oj, orfoj estas kutime konsiderataj unikaj al tre mallarĝa taksono, ĝenerale specio.

La klasika modelo de evoluo baziĝas sur multobligo, rearanĝo kaj mutacio de genoj kun la ideo de komuna deveno. Orfaj genoj diferencas per tio, ke ili estas genliniaj-specifaj kun nenia konata historio de komuna duobligo kaj rearanĝo ekster iliaj specifaj specioj aŭ klado. Orfaj genoj povas estiĝi per diversaj mekanismoj, kiel horizontala transdono de genoj, multobligo kaj rapida diverĝo, kaj ekapero de novgeno  el nekodigita sinsekvo. Ĉi tiuj procezoj povas agi kun malsamaj rapidecoj ĉe insektoj, primatoj kaj plantoj.  Malgraŭ ilia relative antaŭnelonga origino, orfaj genoj povas kodi funkcie gravajn proteinojn.

Historio de orfaj genoj
Orfaj genoj unue estis malkovritaj kiam la gista genom-sekvenciga projekto komenciĝis en 1996. Orfaj genoj respondecis pri ĉirkaŭ 26% de la gista genaro, sed oni kredis, ke ĉi tiuj genoj povus esti klasifikitaj kun homologoj kiam pli da genaroj estis sekvencigitaj. Tiutempe, genmultobligo estis konsiderata la sola grava modelo de genevoluo kaj estis malmultaj sekvencigitaj genaroj por komparo, do manko de mezureblaj homologoj estis supozeble plej verŝajna pro manko de sekvencaj datumoj kaj ne pro vera manko de homologio. Tamen orfaj genoj daŭre persistis dum la kvanto de sekvencigitaj genaroj kreskis, fine kondukante al la konkludo, ke orfaj genoj estas ĉieaj por ĉiuj genaroj. Taksoj de la procento de genoj orfaj ege varias inter specioj kaj inter studoj; 10-30% estas ofte cititaj.

La studo de orfaj genoj aperis plejparte post la jarcentŝanĝo. En 2003, studo pri Caenorhabditis briggsae kaj rilataj specioj komparis pli ol 2000 genojn. Oni proponis, ke ĉi tiuj genoj devas evolui tro rapide por esti detektitaj kaj sekve estas lokoj de tre rapida evoluo. En 2005, Wilson ekzamenis 122 bakteriajn speciojn por provi ekzameni ĉu la granda nombro da orfaj genoj en multaj specioj estis prava. La studo trovis, ke ĝi estis prava kaj rolis en bakteria adapto. La difino de taksonomie restriktitaj genoj estis enkondukita en la literaturon por igi orfajn genojn ŝajni malpli "misteraj".

En 2008, gista proteino de establita funkcieco, BSC4, estis trovita evoluinta el novgeno de ne-kodigaj sekvencoj kies homologio ankoraŭ estis mezurebla ĉe frataj specioj. En 2009, oni malkovris orfan genon reguligantan internan biologian reton: la orfa geno, QQS, de Arabidopsis thaliana modifas plantokonsiston. La orfa proteino QQS interagas kun konservita faktoro de transskribo, ĉi tiuj datumoj klarigas la komponajn ŝanĝojn (pliigitajn proteinojn), kiuj estas induktitaj kiam QQS estas enmetita en diversajn speciojn. En 2011, ampleksa genoma studo pri la grado kaj evoluaj originoj de orfaj genoj en plantoj estis realigita en la  plantmodelo Arabidopsis thaliana.

Kiel identigi orfajn genojn
Genoj povas esti provizore klasifikitaj kiel orfoj se neniuj ortologaj proteinoj troveblas en proksimaj specioj. Unu metodo uzita por taksi nukleotidon aŭ proteinsekvencan similecon indikanta homologion (t.e. prezentanta similecon pro komuna origino) estas la Baza loka alliniiĝa serĉadtekniko, BLAST, (en angla: Basic Local Alignment Search Tool). Ĝi permesas rapide serĉi demanditajn sekvencojn ene de grandaj sekvencaj datumbazoj. Simulaĵoj sugestas, ke sub iuj kondiĉoj BLAST taŭgas por detekti malproksimajn parencojn de geno. Tamen, genoj mallongaj kaj rapide evoluantaj povas facile maltrafi BLAST'on.

La sistema detekto de homologio por prinoti orfajn genojn nomiĝas filostratigrafio. Filostratigrafio generas filogenetikan arbon, en kiu la homologio estas kalkulita inter ĉiuj genoj de fokusa specio kaj la genoj de aliaj specioj. La plej frua komuna prapatro por geno determinas la aĝon, aŭ filostratumon, de la geno. La termino "orfo" estas iam uzata nur por la plej juna filostratumo enhavanta nur unu specion, sed kiam oni interpretas ĝin larĝe kiel taksonomie restriktita geno, ĝi povas nomi ĉiujn krom la plej malnovan filostratumon, kun la geno orfigita en pli granda klado.

De kie devenas orfaj genoj?
Orfaj genoj ekestiĝas de multoblaj fontoj, ĉefe per  estiĝo, multobligo kaj rapida diverĝo de novgeno, kaj horizontala transdono de genoj.

Origino de Novgeno
Novaj orfaj genoj kontinue estiĝas novgenoj el nekodigitaj sekvencoj. Ĉi tiuj novaj genoj povas esti sufiĉe utilaj por esti balaitaj al fiksado per elekto. Aŭ, pli verŝajne, ili fados reen en la malgenan fonon. Ĉi tiu lasta eblo estas subtenata de esplorado pri Bananmuŝo (Drozofilo) montranta, ke junaj genoj plej probable formortas.

Novgenoj iam laŭsupoze estis preskaŭ malebleco pro la kompleksaj kaj eble delikataj komplikaĵoj en kreado kaj konservado de funkciaj polipeptidoj, sed esplorado de la pasintaj kelkdekjaroj trovis multoblajn ekzemplojn de novgenoj, kelkaj el kiuj estas rilataj al gravaj biologiaj procezoj, precipe testikaj funkcioj ĉe bestoj. Novgenoj estis trovitaj ankaŭ en fungoj kaj plantoj.

Por junaj orfaj genoj, estas foje eble trovi homologajn nekodigajn DNA-sekvencojn en frataj taksonoj, kiu estas ĝenerale akceptita kiel fortaj signoj de novgena originado. Tamen, la kontribuo de novgena estiĝo al taksonomie restriktitaj genoj de pli malnova origino, precipe rilate al la tradicia teorio pri duobligo de genoj pri genevoluo, restas pridisputata.

Multobligo kaj diverĝo
La modelo de duobligo kaj diverĝo por orfaj genoj implikas novgenon kreita de iu duobliga aŭ diverĝa evento kaj spertantan periodon de rapida evoluo, kiam perdiĝas ĉiu mezurebla simileco al la originale duobligita geno. Nuntempe ĉi tiu klarigo kongruas kun nunaj komprenoj pri duobligaj mekanismoj, la nombro da mutacioj necesaj por perdi mezureblan similecon estas sufiĉe granda por esti malofta evento, kaj la evoluiga mekanismo per kiu gena duplikaĵo povus esti sekvestrita kaj diverĝiĝas tiel rapide restas neklara.

Horizontala gen-translokigo
Alia klarigo kiel ekestas orfaj genoj estas per duobliga mekanismo nomata horizontala transdono de genoj, en kiu la originala duobligita geno devenas de aparta nekonata genlinio. Ĉi tiu klarigo por la origino de orfaj genoj estas speciale grava en bakterioj kaj arkeoj, en kiuj horizontala gena translokiĝo estas ofta.

Karakterizaĵoj de proteinoj
Orfaj genoj tendencas esti tre mallongaj (~ 6 fojojn pli mallongaj ol maturaj genoj), kaj kelkaj estas malforte esprimplenaj, histospecifaj kaj pli simplaj en kodona uzado kaj aminoacida konsisto. Orfaj genoj tendencas kodi pli interne malordigitajn proteinojn, kvankam iu strukturo estis trovita en unu el la plej bone karakterizitaj orfaj genoj. El la dekmiloj da enzimoj de primara aŭ speciala metabolo ĝis nun karakterizitaj, neniu estas orfoj, aŭ eĉ kun limigita genlinio; ŝajne, katalizo postulas centmilionojn da jaroj dum evoluo.

Biologiaj funkcioj
Malgraŭ ke la ekzisto de orfaj genoj esta bone establita, la evolua rolo de orfoj kaj ĝia rezulta graveco ankoraŭ estas pridiskutata. Unu teorio estas ke multaj orfoj ne havas evoluan rolon; genaroj enhavas nefunkciajn "malfermajn legadajn framojn" (en angla: ORFs), kiuj kreas falsajn polipeptidajn produktojn ne konservitajn per selektado, kio signifas, ke ili ne konserviĝas supozeble inter specioj kaj probable estus detektitaj kiel orfaj genoj. Tamen diversaj aliaj studoj montris, ke almenaŭ iuj orfoj estas funkcie gravaj kaj povas helpi klarigi la aperon de novaj fenotipoj.

Referencoj

En tiu ĉi artikolo estas uzita traduko de la artikolo Orphan gene en la angla vikipedio

Kategorio:Genetiko
Kategorio:Evoluo