Estoy estudiando modelos matemáticos de transcripción y traducción y me pregunto:
En un genoma particular, ¿cuántas copias de un gen que codifica para una proteína particular se deben esperar? ¿Se transcriben todos al mismo ritmo?
Sé que los humanos tienen dos copias de cada cromosoma, por lo que la respuesta sería al menos 2 en humanos. Pero me pregunto si un gen particular que codifica una proteína que necesitamos en abundancia podría estar presente en muchas copias en el genoma para aumentar la expresión.
Remi.b habló extensamente en su respuesta sobre la variación del número de copias y la generación de nuevos genes. Sin embargo, no creo que haya respondido lo que creo que es una pregunta bastante básica:
¿Cuántas copias de un gen en particular hay en el genoma (humano)?
La respuesta a esa pregunta también es simple: dos: uno en el cromosoma de la madre y otro en el padre. La excepción son los genes en los cromosomas X e Y, pero eso es complicado, así que lo ignoraré :)
Ahora, eso no quiere decir que pueda haber varias versiones de un gen en particular, habiendo surgido a través de eventos mutacionales como explicó Remi.b. Entonces, en la antigüedad, el gen ABC123 podría haberse duplicado, dando lugar a los genes actuales ABC123a y ABC123b , que pueden o no tener funciones diferentes. Pero, para ABC123a , solo hay dos copias por celda (normal), y lo mismo es cierto para ABC123b y todo el resto.
¿Se transcriben todos al mismo ritmo?
Pero me pregunto si un gen particular que codifica una proteína que necesitamos en abundancia podría estar presente en muchas copias en el genoma para aumentar la expresión.
La regulación de la expresión génica es bastante compleja. Sin embargo, la célula (me refiero a los eucariotas aquí, no sé qué tan diferentes son los procariotas y Archaea) tiene mecanismos para asegurar que los productos de los llamados genes domésticos, que se necesitan en gran abundancia, estén disponibles para el célula. Un método consiste en atraer y mantener las polimerasas de ARN (que transcriben el gen en ARN mensajero (ARNm), que es la plantilla para la traducción en una proteína, el producto génico real) unidas a la secuencia del gen a través de una variedad de "promotores" de ADN. y secuencias "potenciadoras", que otras proteínas llaman factores de transcripciónse unen y reclutan la polimerasa para el gen. Estas polimerasas se mantienen activas mientras la célula necesite el producto proteico del gen, produciendo copia tras copia de ARNm. También hay muchos otros mecanismos, que van desde cómo las proteínas histonas centrales que dan forma a los cromosomas se unen cerca del gen, hasta la forma en que la maquinaria de traducción ( ribosomas ) se une al ARNm y produce múltiples moléculas de proteína por copia de ARNm. Entonces, aunque solo tengamos dos copias de un gen particularmente vital, la célula ha desarrollado formas de satisfacer la demanda de su producto.
¿Se transcriben todos al mismo ritmo?
No, ellos no son. Todo esto depende del número, el tipo y la ubicación de las secuencias de unión del factor de transcripción en el ADN que rodea y dentro de un gen, así como de la identidad exacta de los factores de transcripción reclutados. Algunos mantienen la maquinaria de la polimerasa muy unida, lo que garantiza una transcripción rápida y precisa, mientras que otros no se unen demasiado, lo que permite que la polimerasa se "caiga" del ADN y/o funcione más lentamente. Cada gen está regulado de manera única y exquisita para ser transcrito donde, cuando y en la cantidad necesaria.
Ciclo celular
Hablando de copias físicas del gen, de hecho tendríamos al menos 1 copia durante la fase haploide, 2 copias durante la fase diploide y 4 copias durante la mitosis (y durante la primera fase de la meiosis ). Por supuesto, las especies que tienen mitosis durante la fase haploide tendrían 2 copias del gen durante la mitosis. No estoy hablando de especies poliploides y no estoy hablando de algunos hongos y otras cosas que tienen todo tipo de locos sistemas de reproducción. No estoy hablando de mtDNA tampoco. Por último, no me refiero al caso de las células especializadas que pierden parte de su genoma o al caso de los tejidos que son básicamente células que se fusionaron, por lo que el concepto de célula ya ni siquiera se sostiene como elSincitiotrofoblasto (en la placenta) (ver también fusión celular y sincitio ).
En resumen, la variación en el número de copias durante el ciclo de vida depende mucho de la especie de interés, la secuencia de interés y también puede caer bajo algún problema semántico sobre qué es una célula. Tenga en cuenta que otro posible problema semántico es el resultado de la pregunta "¿qué tan similares deben ser dos genes para que todavía se les llame copias?".
Mutaciones y polimorfismo
Ahora, algunos genes se pueden encontrar en varias copias. Cuando, en una población dada, el número de copias de un gen dado varía de un individuo a otro, hablamos de variación del número de copias (CNV) . El aumento en el número de copias se denomina duplicación de genes (o amplificación de genes o duplicación cromosómica cuando se duplica una gran parte del ADN). La disminución en el número de copias se llama eliminación de genes . Hay una diversidad de procesos que pueden causar deleciones y duplicaciones, como la recombinación homóloga, el evento de retrotransposición, la aneuploidía, la poliploidía y el deslizamiento de replicación.
Evolución de la CNV
¿Qué mutación es probable que ocurra primero?
La duplicación de genes no produce necesariamente un aumento en la concentración de proteínas (pero puede hacerlo, como es el caso de la enfermedad de Pelizaeus-Merzbacher, por ejemplo). Si se selecciona una expresión más alta, "me parece más probable" que la(s) primera(s) mutación(es) que permitan esta expresión aumentada afectarán las secuencias reguladoras y no aumentarán el número de copias del gen.
Consecuencias de las duplicaciones de genes
La duplicación de genes (si no la pérdida) puede dar lugar a subfuncionalización o neofuncionalización . De wikipedia:
La subfuncionalización [es un proceso] en el que pares de genes que se originan a partir de la duplicación, o parálogos, asumen funciones separadas
... En otras palabras, las copias son libres de acumular mutaciones siempre que la otra copia siga haciendo su trabajo.
La neofuncionalización, uno de los posibles resultados de la divergencia funcional, ocurre cuando una copia de un gen, o parálogo, asume una función totalmente nueva después de un evento de duplicación de genes.
...Básicamente, una copia tiene una función totalmente nueva... que puede dar lugar a innovaciones muy interesantes, como proteínas anticongelantes ( ref ) o veneno de serpiente ( ref ).