Una familia de genes es un conjunto de genes homólogos dentro de un organismo. Un grupo de genes es un grupo de dos o más genes que se encuentran dentro del ADN de un organismo y que codifican polipéptidos o proteínas similares , que colectivamente comparten una función generalizada y a menudo se ubican a unos pocos miles de pares de bases entre sí. El tamaño de los grupos de genes puede variar significativamente, desde unos pocos genes hasta varios cientos de genes. [1] Se ha descubierto que partes de la secuencia de ADN de cada gen dentro de un grupo de genes son idénticas; sin embargo, la proteína resultante de cada gen se distingue de la proteína resultante de otro gen dentro del grupo. Los genes que se encuentran en un grupo de genes se pueden observar cerca unos de otros en el mismo cromosoma o en cromosomas diferentes, pero homólogos . Un ejemplo de grupo de genes es el gen Hox , que está formado por ocho genes y forma parte de la familia de genes Homeobox .
Históricamente, se han propuesto cuatro modelos para la formación y persistencia de grupos de genes.
Este modelo ha sido generalmente aceptado desde mediados de los años 1970. Postula que los grupos de genes se formaron como resultado de la duplicación y divergencia de genes . [2] Estos grupos de genes incluyen el grupo de genes Hox , el grupo de genes de β-globina humana y cuatro genes agrupados de hormona del crecimiento humano (hGH)/ somatomamotropina coriónica . [3]
Los grupos de genes conservados, como Hox y el grupo de genes de la β-globina humana, pueden formarse como resultado del proceso de duplicación y divergencia de genes . Un gen se duplica durante la división celular , de modo que sus descendientes tienen dos copias de extremo a extremo del gen donde tenía una copia, que inicialmente codifica la misma proteína o que tiene la misma función. En el curso de la evolución posterior, divergen, de modo que los productos que codifican tienen funciones diferentes pero relacionadas, y los genes siguen estando adyacentes en el cromosoma. [4] Ohno teorizó que el origen de nuevos genes durante la evolución dependía de la duplicación de genes. Si solo existiera una copia de un gen en el genoma de una especie, las proteínas transcritas a partir de este gen serían esenciales para su supervivencia. Debido a que solo había una copia del gen, no podían sufrir mutaciones que potencialmente darían como resultado nuevos genes; sin embargo, la duplicación de genes permite que genes esenciales sufran mutaciones en la copia duplicada, lo que en última instancia daría lugar a nuevos genes a lo largo de la evolución.
[5] Se toleraron mutaciones en la copia duplicada porque la copia original contenía información genética para la función del gen esencial. Las especies que tienen grupos de genes tienen una ventaja evolutiva selectiva porque la selección natural debe mantener los genes juntos. [1] [6] En un corto período de tiempo, la nueva información genética exhibida por la copia duplicada del gen esencial no proporcionaría una ventaja práctica; sin embargo, durante un largo período evolutivo, la información genética de la copia duplicada puede sufrir mutaciones adicionales y drásticas en las que las proteínas del gen duplicado desempeñan una función diferente a las del gen esencial original. [5] Durante el largo período evolutivo, los dos genes similares divergirían, por lo que las proteínas de cada gen eran únicas en sus funciones. Los grupos de genes Hox, que varían en varios tamaños, se encuentran entre varios filos .
Cuando se produce la duplicación de genes para producir un grupo de genes, se pueden duplicar uno o varios genes a la vez. En el caso del gen Hox, se duplicó un grupo ancestral compartido de ProtoHox, lo que dio como resultado grupos genéticos en el gen Hox así como en el gen ParaHox , un complejo hermano evolutivo del gen Hox. [7] Se desconoce el número exacto de genes contenidos en el grupo Protohox duplicado; sin embargo, existen modelos que sugieren que el grupo Protohox duplicado contenía originalmente cuatro, tres o dos genes. [8]
En el caso de que se duplique un grupo de genes, es posible que se pierdan algunos genes. La pérdida de genes depende de la cantidad de genes que se originan en el grupo de genes. En el modelo de cuatro genes, el grupo ProtoHox contenía cuatro genes que dieron como resultado dos grupos gemelos: el grupo Hox y el grupo ParaHox. [7] Como su nombre indica, el modelo de dos genes dio lugar al grupo Hox y al grupo ParaHox como resultado del grupo ProtoHox que contenía solo dos genes. El modelo de tres genes se propuso originalmente junto con el modelo de cuatro genes; [8] sin embargo, en lugar de que el grupo Hox y el grupo ParaHox resulten de un grupo que contiene tres genes, el grupo Hox y el grupo ParaHox fueron el resultado de la duplicación en tándem de un solo gen, genes idénticos encontrados adyacentes en el mismo cromosoma. [7] Esto fue independiente de la duplicación del grupo ancestral ProtoHox.
La duplicación de genes puede ocurrir mediante duplicación cis o duplicación trans . La duplicación cis , o duplicación intracromosómica, implica la duplicación de genes dentro del mismo cromosoma, mientras que la duplicación trans , o duplicación intercromosómica, consiste en duplicar genes en cromosomas vecinos pero separados. [7] Las formaciones del grupo Hox y del grupo ParaHox fueron resultados de una duplicación intracromosómica, aunque inicialmente se pensó que eran intercromosómicas. [8]
El Modelo Fisher fue propuesto en 1930 por Ronald Fisher . Según el modelo de Fisher, los grupos de genes son el resultado de dos alelos que funcionan bien entre sí. En otras palabras, los grupos de genes pueden exhibir coadaptación . [3] El modelo de Fisher se consideró poco probable y luego se descartó como una explicación para la formación de grupos de genes. [2] [3]
Según el modelo de corregulación, los genes se organizan en grupos, cada uno de los cuales consta de un único promotor y un grupo de secuencias codificantes, que, por lo tanto, están coregulados y muestran una expresión genética coordinada . [3] Alguna vez se consideró que la expresión genética coordinada era el mecanismo más común que impulsaba la formación de grupos de genes. [1] Sin embargo, la corregulación y, por lo tanto, la expresión genética coordinada no pueden impulsar la formación de grupos de genes. [3]
El modelo de molaridad considera las limitaciones del tamaño de la celda. Transcribir y traducir genes juntos es beneficioso para la célula. [9] por lo tanto, la formación de genes agrupados genera una alta concentración local de productos proteicos citoplasmáticos. Se ha observado segregación espacial de productos proteicos en bacterias; sin embargo, el modelo de molaridad no considera la cotranscripción ni la distribución de genes que se encuentran dentro de un operón. [2]
Los genes repetidos pueden ocurrir en dos patrones principales: grupos de genes y matrices en tándem , o anteriormente llamados genes ordenados en tándem . Aunque similares, los grupos de genes y los genes dispuestos en tándem pueden distinguirse entre sí.
Se descubre que los grupos de genes están cerca unos de otros cuando se observan en el mismo cromosoma. Están dispersos al azar; sin embargo, los grupos de genes normalmente se encuentran, como máximo, a unos pocos miles de bases entre sí. La distancia entre cada gen en el grupo de genes puede variar. El ADN que se encuentra entre cada gen repetido en el grupo de genes no está conservado. [10] Se ha descubierto que partes de la secuencia de ADN de un gen son idénticas en genes contenidos en un grupo de genes. [5] La conversión de genes es el único método mediante el cual los grupos de genes pueden homogeneizarse. Aunque el tamaño de un grupo de genes puede variar, rara vez comprende más de 50 genes, lo que hace que el número de grupos sea estable. Los grupos de genes cambian durante un largo período evolutivo, lo que no resulta en complejidad genética. [10]
Los arreglos en tándem son un grupo de genes con la misma o similar función que se repiten consecutivamente sin espacio entre cada gen. Los genes están organizados en la misma orientación. [10] A diferencia de los grupos de genes, los genes dispuestos en tándem consisten en repeticiones consecutivas e idénticas, separadas sólo por una región espaciadora no transcrita.
[11] Mientras que los genes contenidos en un grupo de genes codifican proteínas similares, proteínas idénticas o ARN funcionales están codificados por genes dispuestos en tándem. Recombinación desigual , que cambia el número de repeticiones colocando genes duplicados al lado del gen original. A diferencia de los grupos de genes, los genes dispuestos en tándem cambian rápidamente en respuesta a las necesidades del medio ambiente, lo que provoca un aumento de la complejidad genética. [11]
La conversión genética permite que los genes dispuestos en tándem se homogeneicen o sean idénticos. [11] La conversión genética puede ser alélica o ectópica. La conversión de genes alélicos ocurre cuando un alelo de un gen se convierte en otro alelo como resultado de un emparejamiento de bases no coincidente durante la recombinación homóloga de la meiosis . [12] La conversión de genes ectópicos ocurre cuando una secuencia de ADN homóloga es reemplazada por otra. La conversión de genes ectópicos es la fuerza impulsora de la evolución concertada de familias de genes. [13]
Los genes dispuestos en tándem son esenciales para mantener grandes familias de genes, como el ARN ribosómico . En el genoma eucariota, los genes dispuestos en tándem forman el ARN ribosómico. Los ARNr repetidos en tándem son esenciales para mantener la transcripción de ARN. Es posible que un gen de ARN no pueda proporcionar una cantidad suficiente de ARN. En esta situación, las repeticiones en tándem del gen permiten que se proporcione una cantidad suficiente de ARN. Por ejemplo, las células embrionarias humanas contienen entre 5 y 10 millones de ribosomas y duplican su número en 24 horas. Para proporcionar una cantidad sustancial de ribosomas, múltiples ARN polimerasas deben transcribir consecutivamente múltiples genes de ARNr. [11]