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7.15A: Genfamilien

Schlüsselbegriffe

  • phylogenetisch: Von oder im Zusammenhang mit der evolutionären Entwicklung von Organismen.
  • Sekundärstruktur: Die allgemeine dreidimensionale Struktur eines Biopolymers wie DNA oder eines Proteins.

Eine Genfamilie ist eine Gruppe von mehreren ähnlichen Genen, die durch Duplikation eines einzigen ursprünglichen Gens entstanden sind und im Allgemeinen ähnliche biochemische Funktionen haben. Eine solche Familie sind die Gene für die Untereinheiten des menschlichen Hämoglobins. Die 10 Gene befinden sich in zwei Clustern auf verschiedenen Chromosomen, den sogenannten α-Globin- und β-Globin-Loci. Die Gene werden auf der Grundlage gemeinsamer Nukleotid- oder Proteinsequenzen in Familien eingeteilt. Phylogenetische Techniken können als strengerer Test verwendet werden. Die Positionen der Exons innerhalb der kodierenden Sequenz können verwendet werden, um auf eine gemeinsame Abstammung zu schließen. Die Kenntnis der Sequenz des von einem Gen kodierten Proteins kann es den Forschern ermöglichen, Methoden anzuwenden, die Ähnlichkeiten zwischen Proteinsequenzen finden, die mehr Informationen liefern als Ähnlichkeiten oder Unterschiede zwischen DNA-Sequenzen. Darüber hinaus gibt die Kenntnis der Sekundärstruktur des Proteins weitere Informationen über die Abstammung, da die Organisation der Sekundärstrukturelemente vermutlich auch dann erhalten bleibt, wenn sich die Aminosäuresequenz erheblich ändert.

Abbildung: Evolution einer Genfamilie: Ungleiche Überkreuzung erzeugt Genfamilien. Die linke Seite veranschaulicht ein ungleiches Crossing-Over-Ereignis und die beiden Produkte, die dabei entstehen. Ein Produkt wird gelöscht und das andere wird in derselben Region dupliziert. In diesem Beispiel enthält die duplizierte Region eine zweite vollständige Kopie eines einzelnen Gens (B). Die rechte Seite veranschaulicht eine zweite Runde ungleicher Überkreuzungen, die in einem Genom auftreten können, das homozygot für das ursprünglich duplizierte Chromosom ist. In diesem Fall hat das Crossover-Ereignis zwischen den beiden Kopien des ursprünglichen Gens stattgefunden. Es wird nur das durch dieses Ereignis entstandene duplizierte Produkt gezeigt. Im Laufe der Zeit können die drei Kopien des B-Gens in drei verschiedene funktionelle Einheiten (B1, B2 und B3) eines Genfamilienclusters divergieren.

Diese Methoden stützen sich häufig auf Vorhersagen auf der Grundlage der DNA-Sequenz. Wenn die Gene einer Genfamilie für Proteine kodieren, wird der Begriff Proteinfamilie oft analog zur Genfamilie verwendet. Die Ausdehnung oder Schrumpfung von Genfamilien entlang eines bestimmten Stammbaums kann auf Zufall oder auf natürliche Selektion zurückzuführen sein. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Fällen ist in der Praxis oft schwierig. Neuere Arbeiten verwenden eine Kombination aus statistischen Modellen und algorithmischen Techniken, um Genfamilien aufzuspüren, die unter dem Einfluss natürlicher Selektion stehen.

Im Gegensatz dazu sind Genkomplexe einfach eng miteinander verbundene Gruppen von Genen, die oft durch Genduplikation entstanden sind (manchmal auch als segmentale Duplikation bezeichnet, wenn die Duplikate nebeneinander bleiben). Hier hat jedes Gen eine ähnliche, wenn auch leicht abweichende Funktion.

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