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Gene evolution 2

03‐327/727 Lecture 4Fall 2013

Molecular Phylogenetics

What are the processes we are trying to reconstruct?

• Species evolution– Morphological characters

– Molecular characters

Gene evolution

Outline

• Gene family evolution• Gene trees • Multigene families

Today

Outline

• Gene family evolutionMechanisms of new gene origination– What happens after duplication?

• Gene trees • Multigene families

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Gene duplicationGene families evolve on a range of scales

• Single genes

• Chromosomal segments             (a few genes)

• Partial chromosomes

• Entire chromosomes

• Whole genome duplication

Two other mechanisms of new gene origination that we will discuss later.

• Chimeric genes  arise by “domain shuffling”

RL kinaseFnFnFurin like FnRL

Two other mechanisms of new gene origination that we will discuss later.

• Chimeric genes  arise by “domain shuffling”

• Horizontal transfer

Gene duplicationGene families evolve on a range of scales

• Single genes

• Chromosomal segments             (a few genes)

• Partial chromosomes

• Entire chromosomes

• Whole genome duplication

• Recombination• Unequal crossing over• Retrotransposition• Transposition• Non‐homologous End 

Joining• ….

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L.M. Silver, Mouse Genetics http://www.informatics.jax.org/silver/

Tandem duplication and gene loss              via unequal crossing over

L.M. Silver, Mouse Genetics http://www.informatics.jax.org/silver/

Non‐homologous end joining (NHEJ)

These gametes have an extra copy of 2d/8d

Gene duplicationGene families evolve on a range of scales

• Single genes

• Chromosomal segments             (a few genes)

• Partial chromosomes

• Entire chromosomes

• Whole genome duplication

• Recombination• Unequal crossing over• Retrotransposition• Transposition• Non‐homologous End 

Joining• ….

Retrogenes…

• … are intronless genes.• …are frequently pseudogenes unless the new copy can “recruit” a promoter.

Kaessmann, Genome Research, 2010

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Retrotransposons are similar to retroviruses

Long terminal repeats

Retrotransposition

Transposable elements are widespread in the human genome…

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… and in the Arabidopsis genome and in many other genomes.

www.nature.com/nature/journal/v408/n6814/fig_tab/408796a0_F1.html

Transposable elements:  Relevance to duplication 

1. Duplication by retrotransposition

2. DNA transposons can transport DNA segments from flanking regions

3. DNA transposons can insert promoters  in new genomic locations

4. Repetitive DNA from “dead” transposable elements encourages duplication by recombination

EndonucleaseReverse transcriptase

Integrase

Protease

Gene duplicationGene families evolve on a range of scales

• Single genes

• Chromosomal segments (a few genes)

• Partial chromosomes

• Entire chromosomes

• Whole genome duplication

Very rare due to dosage imbalance

Gene duplicationGene families evolve on a range of scales

• Single genes

• Chromosomal segments (a few genes)

• Partial chromosomes

• Entire chromosomes

• Whole genome duplication

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Project goals

Autopolyploidy

Allopolyploidy

Paramecium

http://en.wikipedia.org/wiki/PaleopolyploidyRef: Adams & Wendel, 2005; Cui et. al, 2006; Wolfe, 2001. 

Outline

• Gene family evolution– What happens after duplication?Genome rearrangements• Models of functional differentiation

• Gene trees • Multigene families

Genome rearrangements

• Transpositions• Translocations

– balanced– unbalanced

• Chromosome fusions• Inversions

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Translocation

Transposition

Cut and paste transposons move DNA fragments around the genome

Genome rearrangements

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Mouse and Human Genetic Similarities

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Duplicated regions in the human genome

McLysaght et al Nature Genetics, 2002.

Human Chr 3

Chr 17

Duplicated genes Unduplicated genes (not shown)

Human Chr 17

Duplicated regions in Arabidopsis

Outline

• Gene family evolution– What happens after duplication?

• Genome rearrangementsModels of functional differentiation

• Gene trees • Multigene families

Fates of duplicated genes

Non‐functionalization:  One copy sustains deleterious mutations, loses its function, and becomes a “pseudogene”

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alpha

beta

beta

alpha

Example of degradation: hemoglobin pseudogenes

Fates of duplicated genes

Non‐functionalization:  One copy sustains deleterious mutations, loses its function, and becomes a “pseudogene”

Redundancy:  Both copies are retained and continue to perform the same function.   

– The most common explanation for redundancy is dosage:  

– Multiple copies of a gene are beneficial because the cells demand for the gene product is very high.

– The canonical example: ribosomal genes.

Both copies continue to perform the same function

Typically, both copies are retained  provide more ribosomal proteins, supporting rapid, high volume protein synthesis.

“dosage”

Fates of duplicated genes

Non‐functionalization:  One copy sustains deleterious mutations, loses its function, and becomes a “pseudogene”

Redundancy: Both copies are retained and continue to perform the same function

Neofunctionalization: Both copies are retained and one (or both) takes on a new function

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alpha

beta

beta

alpha

Examples of neofunctionalization in the globins

• α‐ and β‐globin play different rolls in the globin complex.

• β, γ, and ε have different oxygen binding properties

• β, γ, and ε have different oxygen binding properties

Fates of duplicated genes

Non‐functionalization:  One copy sustains deleterious mutations, loses its function, and becomes a “pseudogene”

Redundancy: Both copies are retained and continue to perform the same function

Neofunctionalization: Both copies are retained and one (or both) takes on a new function

Subfunctionalization: Both copies are retained and the functions of the original gene are partitioned between them

coding region

Duplication

Degeneration

Complementation

subfunctionalization

Fates of duplicate genes    The subfunctionalization model

Genome Innovation

jawed vertebrates

“A gene duplication occurred in the common ancestor of jawed vertebrates” really means…

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Genome Innovation

jawed vertebrates

A gene duplication occurred in one individual in a population…

Genome Innovation

jawed vertebrates

A gene duplication occurred in one individual in a population…

Genome Innovation

jawed vertebrates

A gene duplication occurred in one individual in a population…

… and survived

Forces governing genome innovation

Survival of a new allele depends on– genetic drift

The expected time to fixation is proportional to the effective population size, Ne

– the rate of degradation to null alleleIf the allele mutates to null before it reaches fixation, the innovation will be lost.

– the probability of becoming essentialHowever, it can be preserved through a beneficial mutation or acquisition of an essential function.

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coding region, G

Duplication

Degeneration

Complementation

subfunctionalization

Fates of duplicate genes    The subfunctionalization model

If the function of G in the brain contributes to fitness, then G2 is protected by selection as soon as the expression of G1 in the brain is lost.

G1

G2

G1

G2

Similarly, G2 is protected by selection as soon as the expression of G1 in the thorax is lost.

The loss of a transcription factor binding site requires just a few mutations and can happen more easily than mutation to a new biochemical function.

nonfunctionalization

subfunctionalization

Fates of duplicate genes

redundancy

neofunctionalization

neofunctionalization

The theory predicts that sub‐functionalization is more likely than neofunctionalization immediately following duplication.

Neofunctionalization can also occur following subfunctionalization.

Outline

• Gene family evolution• Gene trees Hemoglobin: a motivating example– Properties of gene trees

• Multigene families

Vertebrate globins arose via duplication of an ancestral globin gene in a vertebrate ancestor

alpha

beta

beta

alpha

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alpha

beta

beta

alpha

Tandem duplication due to the presence of transposon repeats (not shown in figure).

Gene fates• Deletion (pseudogenes)• Subfunctionalization• Neofunctionalization

Globin family tree

alpha

Fish β Wallaby ε Human ε Human γWallaby β Human β

Duplication

Speciation

Gene trees can also show gene family evolution in several species:

Beta globin evolution in vertebrates

Duplication

Time

β ε

ε/γ

ε/β

Fish Wallaby Human

εβ βγ

Beta globin evolution in vertebrates

,

embryonic foetal adult

Globin expression

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Outline

• Gene family evolution• Gene trees • Multigene families                      Tuesday