The birth of de novo genes

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

According to classical ideas, new genes emerge from old genes by duplication or horizontal transfer. Analysis of a large number of genomes in recent decades has shown that some genes have no visible homologs and are thought to have emerged de novo from previously noncoding sequences. The review considers possible mechanisms of de novo gene formation, properties of protein sequences encoded by them, features of expression and selection. The problem of de novo gene identification is considered separately.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

E. Aristova

Department of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Ресей, Moscow

I. Volkhin

Department of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University; Life Sciences Research Center, Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Ресей, Moscow; Dolgoprudny

A. Denisova

Department of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Ресей, Moscow

P. Nikitin

Department of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University; Institute of Ecology and Evolution Problems named after A.N. Severtsov, Russian Academy of Sciences

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Ресей, Moscow; Moscow

E. Petrukhin

Department of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University

Email: ilyavolkhin2@gmail.com
Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

  1. Arroyo J.I., Nery M.F. (2018) Gene fusion of heterophyletic gamma-globin genes in platyrrhine primates. J. Genet. 97, 1473–1478.
  2. Tautz D., Domazet-Lošo T. (2011) The evolutionary origin of orphan genes. Nat. Rev. Genet. 12, 692–702.
  3. Van Oss S.B., Carvunis A.-R. (2019) De novo gene birth. PLoS Genet. 15, e1008160.
  4. Черезов Р.О., Воронцова Ю.Е., Симонова О.Б. (2021) Феномен эволюционной “генерации De Novo” генов. Онтогенез. 52, 441–452.
  5. Ruiz-Orera J., Hernandez-Rodriguez J., Chiva C., Sabidó E., Kondova I., Bontrop R., Marqués-Bonet T., Albà M.M. (2015) Origins of de novo genes in human and chimpanzee. PLoS Genet. 11, e1005721.
  6. Zhuang X., Yang C., Murphy K.R., Cheng C.-C. (2019) Molecular mechanism and history of nonsense to sense evolution of antifreeze glycoprotein gene in northern gadids. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116, 4400–4405.
  7. Clark M.B., Amaral P.P., Schlesinger F.J., Dinger M.E., Taft R.J., Rinn J.L., Ponting C.P., Stadler P.F., Morris K.V., Morillon A., Rozowsky J.S., Gerstein M.B., Wahlestedt C., Hayashizaki Y., Carninci P., Gingeras T.R., Mattick J.S. (2011) The reality of pervasive transcription. PLoS Biol. 9, e1000625.
  8. David L., Huber W., Granovskaia M., Toedling J., Palm C.J., Bofkin L., Jones T., Davis R.W., Steinmetz L.M. (2006) A high-resolution map of transcription in the yeast genome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 5320– 5325.
  9. Yona A.H., Alm E.J., Gore J. (2018) Random sequences rapidly evolve into de novo promoters. Nat. Commun. 9, 1530.
  10. Ingolia N.T., Brar G.A., Stern-Ginossar N., Harris M.S., Talhouarne G.J.S., Jackson S.E., Wills M.R., Weissman J.S. (2014) Ri-bosome profiling reveals pervasive translation outside of annotated proteincoding genes. Cell Rep. 8, 1365–1379.
  11. Parikh S.B., Houghton C., Van Oss S.B., Wacholder A., Carvunis A. (2022) Origins, evolution, and physiological implications of de novo genes in yeast. Yeast. 39, 471–481.
  12. Xiao W., Liu H., Li Y., Li X., Xu C., Long M., Wang S. (2009) A rice gene of de novo origin negatively regulates pathogen-induced defense response. PLoS One. 4, e4603.
  13. Baalsrud H.T., Tørresen O.K., Solbakken M.H., Salzburger W., Hanel R., Jakobsen K.S., Jentoft S. (2018) De novo gene evolution of antifreeze glycoproteins in codfishes revealed by whole genome sequence data. Mol. Biol. Evol. 35, 593–606.
  14. Vakirlis N., Vance Z., Duggan K.M., McLysaght A. (2022) De novo birth of functional microproteins in the human lineage. Cell Rep. 41, 111808.
  15. Xie C., Zhang Y.E., Chen J.-Y., Liu C.-J., Zhou W.-Z., Li Y., Zhang M., Zhang R., Wei L., Li C.-Y. (2012) Hominoid-specific de novo protein-coding genes originating from long non-coding RNAs. PLoS Genet. 8, e1002942.
  16. Wu D.-D., Irwin D.M., Zhang Y.-P. (2011) De novo origin of human protein-coding genes. PLoS Genet. 7, e1002379.
  17. An N.A., Zhang J., Mo F., Luan X., Tian L., Shen Q.S., Li X., Li C., Zhou F., Zhang B., Ji M., Qi J., Zhou W.Z., Ding W., Chen J.Y., Yu J., Zhang L., Shu S., Hu B., Li C.Y. (2023) De novo genes with an lncRNA origin encode unique human brain developmental functionality. Nat. Ecol. Evol. 7(2), 264–278.
  18. Rubtsova M., Naraykina Y., Vasilkova D., Meerson M., Zvereva M., Prassolov V., Lazarev V., Manuvera V., Kovalchuk S., Anikanov N., Butenko I., Pobeguts O., Govorun V., Dontsova O. (2018) Protein encoded in human telomerase RNA is involved in cell protective pathways. Nucl. Acids Res. 46, 8966–8977.
  19. Wu X., Sharp P.A. (2013) Divergent transcription: a driving force for new gene origination? Cell. 155, 990–996.
  20. Vaishnav E.D., De Boer C.G., Molinet J., Yassour M., Fan L., Adiconis X., Thompson D.A., Levin J.Z., Cubillos F.A., Regev A. (2022) The evolution, evolvability and engineering of gene regulatory DNA. Nature. 603, 455–463.
  21. Chung W.-Y., Wadhawan S., Szklarczyk R., Pond S.K., Nekrutenko A. (2007) A first look at ARFome: dualcoding genes in mammalian genomes. PLoS Comput. Biol. 3, e91.
  22. Schmitz J.F., Ullrich K.K., Bornberg-Bauer E. (2018) Incipient de novo genes can evolve from frozen accidents that escaped rapid transcript turnover. Nat. Ecol. Evol. 2, 1626–1632.
  23. Suenaga Y., Islam S.M., Alagu J., Kaneko Y., Kato M., Tanaka Y., Kawana H., Hossain S., Matsumoto D., Yamamoto M., Shoji W., Itami M., Shibata T., Nakamura Y., Ohira M., Haraguchi S., Takatori A., Nakagawara A. (2014) NCYM, a cis-antisense gene of MYCN, encodes a de novo evolved protein that inhibits GSK3β resulting in the stabilization of MYCN in human neuroblastomas. PLoS Genet. 10, e1003996.
  24. Li D., Yan Z., Lu L., Jiang H., Wang W. (2014) Pleiotropy of the de novo-originated gene MDF1. Sci. Rep. 4, 7280.
  25. Li D., Dong Y., Jiang Y., Jiang H., Cai J., Wang W. (2010) A de novo originated gene depresses budding yeast mating pathway and is repressed by the protein encoded by its antisense strand. Cell Res. 20, 408– 420.
  26. Blevins W.R., Ruiz-Orera J., Messeguer X., Blasco- Moreno B., Villanueva-Cañas J.L., Espinar L., Díez J., Carey L.B., Albà M.M. (2021) Uncovering de novo gene birth in yeast using deep transcriptomics. Nat. Commun. 12, 604.
  27. Pelechano V., Steinmetz L.M. (2013) Gene regulation by antisense transcription. Nat. Rev. Genet. 14, 880– 893.
  28. Begun D.J., Lindfors H.A., Kern A.D., Jones C.D. (2007) Evidence for de novo evolution of testis-expressed genes in the Drosophila yakuba/Drosophila erecta clade. Genetics. 176, 1131–1137.
  29. Levine M.T., Jones C.D., Kern A.D., Lindfors H.A., Begun D.J. (2006) Novel genes derived from noncoding DNA in Drosophila melanogaster are frequently X-linked and exhibit testis-biased expression. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 9935– 9939.
  30. Xie C., Bekpen C., Künzel S., Keshavarz M., Krebs- Wheaton R., Skrabar N., Ullrich K.K., Tautz D. (2019) A de novo evolved gene in the house mouse regulates female pregnancy cycles. eLife. 8, e44392.
  31. Lombardo K.D., Sheehy H.K., Cridland J.M., Begun D.J. (2023) Identifying candidate de novo genes expressed in the somatic female reproductive tract of Drosophila melanogaster. G3 Genes Genomes Genet. 13, jkad122.
  32. Donoghue M.T., Keshavaiah C., Swamidatta S.H., Spillane C. (2011) Evolutionary origins of Brassicaceae specific genes in Arabidopsis thaliana. BMC Evol. Biol. 11, 47.
  33. Kirschner M., Gerhart J. (1998) Evolvability. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95, 8420–8427.
  34. Koonin E.V., Wolf Y.I. (2012) Evolution of microbes and viruses: a paradigm shift in evolutionary biology? Front Cell Infect. Microbiol. 2, 119.
  35. Carvunis A.R., Rolland T., Wapinski I., Calderwood M.A., Yildirim M.A., Simonis N., Charloteaux B., Hidalgo C.A., Barbette J., Santhanam B., Brar G.A., Weissman J.S., Regev A., Thierry-Mieg N., Cusick M.E., Vidal M. (2012) Proto-genes and de novo gene birth. Nature. 487, 370–374.
  36. Vakirlis N., Acar O., Hsu B., Castilho Coelho N., Van Oss S.B., Wacholder A., Medetgul-Ernar K., Bowman R.W. 2nd, Hines C.P., Iannotta J., Parikh S.B., McLysaght A., Camacho C.J., O'Donnell A.F., Ideker T., Carvunis A.R. (2020) De novo emergence of adaptive membrane proteins from thymine-rich genomic sequences. Nat. Commun. 11, 781.
  37. Palmieri N., Kosiol C., Schlötterer C. (2014) The life cycle of Drosophila orphan genes. eLife. 3, e01311.
  38. Wang Y.-W., Hess J., Slot J.C., Pringle A. (2020) De novo gene birth, horizontal gene transfer, and gene duplication as sources of new gene families associated with the origin of symbiosis in Amanita. Genome Biol. Evol. 12, 2168–2182.
  39. Babina A.M., Surkov S., Ye W., Jerlström-Hultqvist J., Larsson M., Holmqvist E., Jemth P., Andersson D.I., Knopp M. (2023) Rescue of Escherichia coli auxotrophy by de novo small proteins. eLife. 12, e78299.
  40. Storz G., Wolf Y.I., Ramamurthi K.S. (2014) Small proteins can no longer be ignored. Annu. Rev. Biochem. 83, 753–777.
  41. Knopp M., Gudmundsdottir J.S., Nilsson T., König F., Warsi O., Rajer F., Ädelroth P., Andersson D.I. (2019) De novo emergence of peptides that confer antibiotic resistance. mBio. 10, e00837-19.
  42. Knopp M., Babina A.M., Gudmundsdóttir J.S., Douglass M.V., Trent M.S., Andersson D.I. (2021) A novel type of colistin resistance genes selected from random sequence space. PLoS Genet. 17, e1009227.
  43. Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. (1990) Basic local alignment search tool. J. Mol. Biol. 215, 403–410.
  44. Albà M.M., Castresana J. (2007) On homology searches by protein BLAST and the characterization of the age of genes. BMC Evol. Biol. 7, 53.
  45. Elhaik E., Sabath N., Graur D. (2006) The “inverse relationship between evolutionary rate and age of mammalian genes” is an artifact of increased genetic distance with rate of evolution and time of divergence. Mol. Biol. Evol. 23, 1–3.
  46. Moyers B.A., Zhang J. (2017) Further simulations and analyses demonstrate open problems of phylostratigraphy. Genome Biol. Evol. 9, 1519–1527.
  47. Weisman C.M., Murray A.W., Eddy S.R. (2020) Many, but not all, lineage-specific genes can be explained by homology detection failure. PLoS Biol. 18, e3000862.
  48. Chanderbali A.S., Berger B.A., Howarth D.G., Soltis D.E., Soltis P.S. (2017) Evolution of floral diversity: genomics, genes and gamma. Philos. Trans. R Soc. B Biol. Sci. 372, 20150509.
  49. Assis R., Bachtrog D. (2013) Neofunctionalization of young duplicate genes in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 110, 17409–17414.
  50. Ohno S. (1970) Evolution by Gene Duplication. Heidelberg: Springer Berlin.
  51. Force A., Lynch M., Pickett F.B., Amores A., Yan Y., Postlethwait J. (1999) Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations. Genetics. 151, 1531–1545.
  52. Lynch M., Force A. (2000) The probability of duplicate gene preservation by subfunctionalization. Genetics. 154, 459–473.
  53. Hardison R.C. (2012) Evolution of hemoglobin and its genes. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2, a011627– a011627.
  54. Kondrashov F.A., Kondrashov A.S. (2006) Role of selection in fixation of gene duplications. J. Theor. Biol. 239, 141–151.
  55. Li C.Y., Zhang Y., Wang Z., Zhang Y., Cao C., Zhang P. W., Lu S.J., Li X.M., Yu Q., Zheng X., Du Q., Uhl G.R., Liu Q.R., Wei L. (2010) A human-specific de novo protein-coding gene associated with human brain functions. PLoS Comput. Biol. 6, e1000734.
  56. Vakirlis N., McLysaght A. (2019) Computational prediction of de novo emerged protein-coding genes. Meth. Mol. Biol. 1851, 63‒81.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Mechanisms of de novo gene formation. a — Gene formation due to ubiquitous transcription and translation. The de novo gene is shown in red, and the emerging promoter is shown in green. b — Gene formation de novo on a strand complementary to an existing gene. c — Gene formation de novo by ORF shift. The star shows the occurrence of a point mutation leading to an ORF shift.

Жүктеу (216KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Rapid evolution of a duplicated gene can lead to the accumulation of a significant number of substitutions, as a result of which it will not be identified as a homologue of other sequences using BLAST [43] and, therefore, will be recognized as an orphan gene.

Жүктеу (97KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».