遺伝子クラスター

このモデルは1970年代半ばから一般的に受け入れられています。遺伝子クラスターは遺伝子の重複と分岐の結果として形成されたと仮定しています。^{[ 2 ]}これらの遺伝子クラスターには、 Hox遺伝子クラスター、ヒトβ-グロビン遺伝子クラスター、および4つのクラスター化したヒト成長ホルモン（hGH）/絨毛性ソマトマンモトロピン遺伝子が含まれます。^{[ 3 ]}

Hox やヒト β-グロビン遺伝子クラスターなどの保存された遺伝子クラスターは、遺伝子の重複と分岐の過程の結果として形成される可能性がある。細胞分裂中に遺伝子が重複し、その子孫は、最初は同じタンパク質をコードしたり、その他の点で同じ機能を持つ、1 つのコピーを持っていた遺伝子の 2 つの末端結合コピーを持つようになる。その後の進化の過程で、それらは分岐し、コードする産物は異なるが関連する機能を持ち、遺伝子は染色体上で隣接したままになる。^{[ 4 ]}大野は、進化中の新しい遺伝子の起源は遺伝子の重複に依存していると理論づけた。種のゲノムに遺伝子のコピーが 1 つしか存在しない場合、この遺伝子から転写されるタンパク質は、その種の生存に不可欠となる。遺伝子のコピーが 1 つしかないため、新しい遺伝子につながる可能性のある突然変異を起こすことができない。しかし、遺伝子重複によって、必須遺伝子が重複したコピー内で突然変異を起こすことが可能になり、それが最終的に進化の過程で新たな遺伝子を生み出すことになる。

^{[ 5 ]} 重複したコピーの突然変異は、元のコピーが必須遺伝子の機能に関する遺伝情報を含んでいたため許容された。遺伝子クラスターを持つ種は、自然選択が遺伝子を一緒に維持しなければならないため、選択的進化上の利点を持つ。 ^{[ 1 ] [ 6 ]} 短期間では、必須遺伝子の重複コピーによって示される新しい遺伝情報は実用的な利点にはならないが、長い進化の期間では、重複コピーの遺伝情報は、重複遺伝子のタンパク質が元の必須遺伝子のタンパク質とは異なる役割を果たすような、追加的かつ劇的な突然変異を受ける可能性がある。 ^{[ 5 ]}長い進化の期間では、2 つの類似した遺伝子は分岐し、それぞれの遺伝子のタンパク質は独自の機能を持つようになる。さまざまなサイズの Hox 遺伝子クラスターは、いくつかの門。

Hoxクラスター

遺伝子重複によって遺伝子クラスターが形成される場合、一度に1つまたは複数の遺伝子が重複することがある。Hox遺伝子の場合、共通の祖先であるProtoHoxクラスターが重複し、Hox遺伝子だけでなく、Hox遺伝子の進化上の姉妹複合体であるParaHox遺伝子にも遺伝子クラスターが生じた。 ^{[ 7 ]}重複したProtohoxクラスターに含まれる遺伝子の正確な数は不明であるが、重複したProtohoxクラスターには元々4つ、3つ、または2つの遺伝子が含まれていたことを示唆するモデルが存在する。^{[ 8 ]}

遺伝子クラスターが重複する場合、一部の遺伝子が失われる可能性がある。遺伝子の喪失は、遺伝子クラスターに由来する遺伝子の数に依存する。4遺伝子モデルでは、ProtoHoxクラスターには4つの遺伝子が含まれており、その結果、HoxクラスターとParaHoxクラスターという2つの双子のクラスターが生じた。^{[ 7 ]}その名前が示すように、2遺伝子モデルでは、2つの遺伝子しか含まれていないProtoHoxクラスターの結果として、HoxクラスターとParaHoxクラスターが生じた。3遺伝子モデルは、もともと4遺伝子モデルと併せて提案されたものであった。^{[ 8 ]}しかし、3つの遺伝子を含むクラスターから生じたHoxクラスターとParaHoxクラスターではなく、HoxクラスターとParaHoxクラスターは、同じ染色体上に隣接して見つかった同一遺伝子の単一遺伝子タンデム重複の結果であった。^{[ 7 ]}これは、祖先のProtoHoxクラスターの重複とは無関係であった。

フィッシャーモデルは1930年にロナルド・フィッシャーによって提唱された。フィッシャーモデルによれば、遺伝子クラスターは2つの対立遺伝子が互いにうまく作用した結果である。言い換えれば、遺伝子クラスターは共適応を示す可能性がある。^{[ 3 ]}フィッシャーモデルは可能性が低いと考えられ、後に遺伝子クラスター形成の説明としては却下された。^{[ 2 ] [ 3 ]}

共調節モデルでは、遺伝子はクラスターに組織化され、各クラスターは単一のプロモーターとコーディング配列のクラスターで構成され、したがって共調節され、協調的な遺伝子発現を示します。^{[ 3 ]}協調的な遺伝子発現は、かつて遺伝子クラスターの形成を促進する最も一般的なメカニズムと考えられていました。^{[ 1 ]}しかし、共調節、したがって協調的な遺伝子発現は、遺伝子クラスターの形成を促進することはできません。^{[ 3 ]}

モル濃度モデルは細胞サイズの制約を考慮しています。遺伝子の転写と翻訳を同時に行うことは細胞にとって有益です。^{[ 9 ]}そのため、遺伝子のクラスター形成により、細胞質タンパク質産物の局所的な高濃度が生成されます。タンパク質産物の空間的分離は細菌で観察されていますが、モル濃度モデルはオペロン内の遺伝子の共転写や分布を考慮していません。^{[ 2 ]}

遺伝子クラスターは、同じ染色体上で観察すると互いに近接していることがわかります。それらはランダムに分散していますが、遺伝子クラスターは通常、せいぜい数千塩基以内の距離にあります。遺伝子クラスター内の各遺伝子間の距離は変化する可能性があります。遺伝子クラスター内の各反復遺伝子の間に見られるDNAは保存されていません。^{[ 10 ]}遺伝子クラスターに含まれる遺伝子のDNA配列の一部は同一であることがわかります。^{[ 5 ]}遺伝子変換は、遺伝子クラスターが均質化される唯一の方法です。遺伝子クラスターのサイズは変化する可能性がありますが、50を超える遺伝子で構成されることはまれであり、クラスターの数は安定しています。遺伝子クラスターは長い進化の期間にわたって変化しますが、遺伝的複雑性にはつながりません。^{[ 10 ]}

タンデムアレイは、同じまたは類似の機能を持つ遺伝子のグループで、各遺伝子の間にスペースを置かずに連続して繰り返されます。遺伝子は同じ方向に配置されています。^{[ 10 ]}遺伝子クラスターとは異なり、タンデム配列された遺伝子は、転写されないスペーサー領域によってのみ分離された、連続した同一の繰り返しから構成されていることがわかります。

^{[ 11 ]}遺伝子クラスターに含まれる遺伝子は類似のタンパク質をコードするが、タンデム配列遺伝子は同一のタンパク質または機能性RNAをコードする。不均等組換えは、複製された遺伝子を元の遺伝子の隣に配置することで繰り返し回数を変化させる。遺伝子クラスターとは異なり、タンデム配列遺伝子は環境のニーズに応じて急速に変化し、遺伝的複雑性の増加を引き起こす。 ^{[ 11 ]}

遺伝子変換により、タンデムに配置された遺伝子が均質化、つまり同一になる。^{[ 11 ]}遺伝子変換は対立遺伝子変換または異所性変換のいずれかである。対立遺伝子変換は、減数分裂相同組換え中のミスマッチ塩基対形成の結果として、遺伝子の一方の対立遺伝子が他方の対立遺伝子に変換されるときに起こる。^{[ 12 ]}異所性遺伝子変換は、相同なDNA配列が別の配列に置き換えられるときに起こる。異所性遺伝子変換は、遺伝子ファミリーの協調進化 の原動力である。 ^{[ 13 ]}

タンデムに配列した遺伝子は、リボソームRNAなどの大きな遺伝子ファミリーを維持するために不可欠です。真核生物のゲノムでは、タンデムに配列した遺伝子がリボソームRNAを構成しています。タンデムに繰り返されるrRNAは、RNA転写を維持するために不可欠です。1つのRNA遺伝子では十分な量のRNAを提供できない場合があります。このような場合、遺伝子のタンデムリピートによって十分な量のRNAが提供されます。たとえば、ヒトの胚細胞には500万～1000万個のリボソームが含まれており、24時間以内にその数が2倍になります。実質的な数のリボソームを提供するためには、複数のRNAポリメラーゼが複数のrRNA遺伝子を連続的に転写する必要があります。^{[ 11 ]}