假基因化

假基因化（英文：Pseudogenization）是指一个原本具有功能的基因，在进化过程中因累积突变而丧失其编码功能性蛋白质或RNA能力的过程。由此产生的非功能性基因拷贝称为假基因（Pseudogene）。假基因化是基因组进化的重要驱动力之一，为研究分子进化、自然选择和基因功能丧失的后果提供了关键线索。

概述

假基因在真核生物基因组中广泛存在，是人类和其他复杂生物基因组的重要组成部分。假基因化通常被认为是中性进化或近中性进化的结果，即在失去功能约束后，基因序列可以自由地积累有害突变而不会被自然选择清除。然而，近年研究发现，部分假基因可能通过产生调节性RNA或作为基因调控元件发挥新的功能。

假基因的类型

根据形成机制，假基因主要分为三类：

1. 非加工型假基因（英文：Non-processed pseudogenes 或 Duplicated pseudogenes）

   • 形成机制：源于基因复制事件（如不等交换），随后其中一个拷贝因有害突变（如无义突变、移码突变、启动子区失活突变）而失活。

   • 特征：通常保留原始功能基因的内含子-外显子结构，位于同源功能基因附近。

   • 例子：人类基因组中的许多珠蛋白假基因（如 HBBP1）。

2. 加工型假基因（英文：Processed pseudogenes 或 Retropseudogenes）

   • 形成机制：源于功能基因的mRNA经逆转录转座过程。即mRNA被逆转录为cDNA，然后随机插入基因组的新位置。

   • 特征：缺乏内含子和启动子序列，3‘端常有poly-A尾，通常不位于其亲本基因附近。

   • 例子：人类基因组中大量存在的核糖体蛋白加工假基因。

3. 单拷贝假基因（英文：Unitary pseudogenes 或 Disabled genes）

   • 形成机制：非复制起源，而是单个功能基因在其功能对生物体变得不必要或有害时直接失活。

   • 特征：在基因组中没有功能性的对应拷贝。

   • 例子：人类丧失合成维生素C能力的基因 GULO（L-古洛糖酸内酯氧化酶基因），在大多数哺乳动物中为功能基因，但在人类和某些灵长类动物中为假基因。

假基因化的分子机制

导致基因功能丧失的突变包括：

• 引入提前终止密码子：导致蛋白质翻译提前终止。

• 移码突变：改变阅读框，导致完全不同的氨基酸序列或提前终止。

• 关键功能位点氨基酸替换：破坏蛋白质的催化活性或结构稳定性。

• 剪接位点突变：破坏RNA的正确剪接。

• 调控序列失活：启动子或增强子突变导致基因无法正常转录。

假基因的进化命运与潜在功能

长期以来，假基因被视为“基因组化石”或“垃圾DNA”。但现代研究发现其可能具有多种潜在角色：

1. 作为进化创新的原材料：失活的基因拷贝可能通过外显子化或与邻近序列重组，成为新基因的起源。

2. 通过产生调节性RNA发挥功能：部分假基因可以被转录，其RNA产物可能作为竞争性内源RNA，通过miRNA海绵作用调节亲本基因或其他基因的表达。

3. 作为基因调控元件：假基因序列可能含有保守的调控元件，影响邻近基因的表达。

4. 作为进化历史的记录：通过比较假基因与功能基因的序列差异，可以推算基因失活的时间，并推断祖先的生物学特征（例如，通过 GULO 假基因推断人类祖先何时丧失维生素C合成能力）。

研究意义

• 进化生物学：揭示基因功能丧失的适应性意义（如在特定环境下节省能量）或中性漂变过程。

• 比较基因组学：假基因的存在与否是物种间重要的遗传差异标记。

• 疾病关联：某些假基因可能与疾病相关。例如， PTENP1 假基因作为肿瘤抑制基因 PTEN 的竞争性RNA，其失调与癌症发生有关。

• 功能基因组学：挑战了“功能丧失即无用”的简单观点，推动了对非编码基因组功能的重新评估。

参考文献

1. Balakirev, E. S., & Ayala, F. J. (2003). Pseudogenes: are they “junk” or functional DNA? Annual Review of Genetics, 37, 123-151. （系统综述了假基因的潜在功能与争议）

2. Pink, R. C., et al. (2011). Pseudogenes: pseudo-functional or key regulators in health and disease? RNA, 17(5), 792-798. （探讨了假基因在生理和病理中的调控作用）

3. Zhang, Z., et al. (2003). Millions of years of evolution preserved: a comprehensive catalog of the processed pseudogenes in the human genome. Genome Research, 13(12), 2541-2558. （对人类基因组中的加工型假基因进行了全面普查与分析）

4. Poliseno, L., et al. (2010). A coding-independent function of gene and pseudogene mRNAs regulates tumour biology. Nature, 465(7301), 1033-1038. （开创性论文，揭示了 PTENP1 假基因通过ceRNA机制调控PTEN的功能）

5. Khalturin, K., et al. (2009). More than just orphans: are taxonomically-restricted genes important in evolution? Trends in Genetics, 25(9), 404-413. （在更广的背景下讨论了基因的获得与丧失，包括假基因化）