Con il terminepseudogene si intende una sequenza dinucleotidi simile a ungene (a livello di struttura), ma priva di alcunaespressione all'interno dellacellula. Solitamente si tratta di geni ancestrali che hanno perso la capacità di essere espressi.[1] Sebbene mantengano a volte alcune strutture tipiche dei geni (promotore,isole CpG o siti displicing), queste sequenze non sono in grado di generare un prodottoproteico funzionale, spesso a causa dimutazioni genetiche consolidatesi durante l'evoluzione: in questi casi sono spesso presentimutazioni che generanotrascrittinonsenso, che non possono esseretradotti a proteina. Se i geni codificano per una molecola attiva comeRNA, è possibile che si siano consolidate mutazioni tali da renderlo del tutto inefficace (ciò avviene per molti pseudogeni che si presume codificassero perrRNA).
Il termine pseudogene è stato utilizzato per la prima volta nel 1977 in una pubblicazione di Jacq e colleghi[2], unendo il prefissopseudo al terminegene.
Sebbene gli pseudogeni siano spessoetichettati comeDNA spazzatura, essi contengono all'interno delle loro sequenze informazioni notevoli riguardanti i meccanismi stessi dell'evoluzione. Questo è dovuto al fatto che spesso essi derivano dalla duplicazione ancestrale di un gene funzionale. Così comeCharles Darwin ipotizzò per due specie la presenza di unantenato comune, seguito da milioni di anni dievoluzione divergente (che ha condotto allaspeciazione), è possibile teorizzare che lo pseudogene e il suo omologo funzionale abbiano condiviso un antenato comune e in seguito siano andati a divergere fino a raggiungere lo stato attuale.
Ogni pseudogene è caratterizzato dallanon-funzionalità e dallaomologia a un secondo gene. Ciò significa che, per quanto ogni pseudogene presenti una sequenza decisamente simile a qualche genefunzionante, esso non è in grado di generare un prodotto funzionale[3].Gli pseudogeni sono solitamente di difficile individuazione e caratterizzazione, poiché i due caratteri diomologia enon-funzionalità sono usualmente dedotti attraverso analisi di sequenza e non direttamente osservati, dal momento che gli pseudogeni non codificano per prodotti funzionali.
- L'omologia viene solitamente analizzata attraverso allineamenti di sequenza tra il gene funzionale e il presunto pseudogene. Tali allineamenti forniscono solitamente lapercentuale dipaia di basi identiche. Un'alta identità di sequenza (solitamente compresa tra il 40% e il 100%) è solitamente indicatrice della presenza di un gene progenitore comune.
- Lanon-funzionalità può manifestarsi in modi differenti. Normalmente, un gene deve essere correttamente processato attraverso numerosi step per essereconvertito in una forma funzionale.
- Per ottenere unaproteina, per esempio, occorre latrascrizione del gene in un filamento diRNA, il successivo processamento amRNA, lasintesi proteica e un correttoripiegamento. In caso di fallimento di uno solo di tali processi, il gene perde ogni possibile funzionalità. Nelle ricerche di nuovi pseudogeni svolte attraverso analisi ad ampio spettro, solitamente si cercanomutazioni puntiformi come la presenza di uncodone di stop o di unamutazione frameshift, che generano nella quasi totalità dei casi prodotti proteici non funzionali.
- Gli pseudogeni di geni a RNA sono spesso più semplici da individuare. Molti geni a RNA, infatti, sono presenti in copie multiple. Per individuare gli pseudogeni di un determinato gene a RNA, dunque, è spesso sufficiente ricercare sequenze ad alta identità nelle regioni adiacenti al gene a RNA stesso.
Gli pseudogeni vengono classificati in tre gruppi principali, ognuno con meccanismo di origine e caratteristiche differenti:
- Pseudogeniprocessati (oretrotrasposti) (Processed pseudogenes in inglese). Neglieucarioti superiori, in particolare neimammiferi, laretrotrasposizione è un fenomeno piuttosto comune che ha avuto un enorme impatto nella composizione delgenoma. Per esempio il 30% - 44% del genoma umano è costituito da elementi ripetuti come leLINE e leSINE (vediretrotrasposone)[4][5]. Nel processo della retrotrasposizione, una porzione dell'RNA messaggero di un gene viene spontaneamenteretrotrascritto inDNA e reinserito nel DNA cromosomico. Sebbene di solito i retrotrasposoni creino copie di sé stessi, è stato dimostratoin vitro che questi elementi possono anche provocare la retrotrascrizione di altri geni a caso, non collegati a essi[6]. Nel momento in cui questi pseudogeni si reinseriscono nel genoma, di solito contengono unacoda di poli-A e perdono degliintroni, due caratteristiche deicDNA. Tuttavia, poiché derivano da un mRNA maturo, gli pseudogeni processati perdono anche ilpromotore, che di solito nei geni normali è sempre presente; per questo motivo questi elementi vengono definitinon funzionanti (dall'inglesedead on arrival, traducibile comeprodotto non funzionante alla consegna), perdendo la loro funzionalità con l'evento di retrotrasposizione[7]. Un'altra caratteristica degli pseudogeni processati è la rimozione della porzione 5' terminale relativa alla sequenza di origine, risultato del meccanismo di retrotrasposizione non perfetto che rimuove qualchebase[8].
- Pseudogeninon processati (oduplicati) (non-processed pseudogenes in inglese). Laduplicazione genica è un altro processo piuttosto comune e importante nell'evoluzione dei genomi. In questo caso, in seguito a duplicazione genica, può originarsi una copia di un gene funzionale. Questa copia poi con il passare delle generazioni può acquisire mutazioni che la rendono non più funzionale. Questi pseudogeni duplicati di solito hanno tutte le caratteristiche di un gene normale, incluso un promotore e una normale strutturaesone -introne. La perdita della funzionalità di questo gene-copia di solito non ha un effetto visibile sullafitness dell'organismo nel quale si trova, visto che vi è almeno una copia del gene funzionale. Secondo alcuni modellievoluzionari, pseudogeni duplicati in comune tra varie specie indicano la parentela evolutiva tra gli esseri umani e gli altriprimati[9].
- Pseudogenidisabilitati o unitari (disabled pseudogenes in inglese). Molte mutazioni impediscono a un gene di esseretrascritto otradotto normalmente, e un gene può perdere la propria funzione o inattivarsi qualora la popolazione fissi queste mutazioni. Questo rappresenta lo stesso meccanismo tramite il quale geni non processati vengono disattivati, sebbene la differenza in questo caso sia che il gene non viene duplicato prima di essere inattivato. Di solito questo tipo di inattivazione sarebbe piuttosto improbabile in una popolazione, ma diversi fattori didinamica delle popolazioni, tra cui laderiva genetica (genetic drift) o uneffetto "collo di bottiglia" o ancora, in alcuni casi, laselezione naturale, possono portare alla fissazione di tale mutazione. Il classico esempio di pseudogene inattivato è il gene che probabilmente codificava per l'enzimaL-gulonolattone ossidasi (GLO) nei primati: in ognimammifero tranne i primati, lecavie e i mammiferi alati questo enzima favorisce la biosintesi diacido ascorbico (vitamina C), mentre negli animali sopraelencati e nell'uomo questo enzima non è attivo[10][11]. Un altro esempio più recente di un gene disabilitato, che porta all'inattivazione di un gene per unacaspasi (tramite unamutazione non-senso) può essere trovata in Xue et al. 2006[12].
Gli pseudogeni possono complicare di molto gli studi digenetica molecolare. Per esempio un ricercatore che vuole amplificare un gene tramitereazione a catena della polimerasi può contemporaneamente amplificare uno pseudogene, che ha una sequenza nucleotidica molto simile. Per lo stesso motivo gli pseudogeni vengono talvolta indicati come geni nei sequenziamenti genomici e pongono spesso un problema anche per quei programmi digene prediction, che spesso li interpretano come geni reali o esoni. È stato anche proposto che l'identificazione di questi elementi possa aiutare a migliorare l'accuratezza di questi metodi di gene prediction[13].
Nel 2003 Hirotsuneet al. identificarono uno pseudogene retrotrasposto il cui trascritto era ritenuto avere un'attività regolativain trans nell'espressione del suo gene omologo,Makorin1, e suggerirono questo come modello generale sotto il quale anche gli pseudogeni hanno un ruolo biologico importante[14]. Altri ricercatori hanno da allora ipotizzato simili ruoli da parte di altri pseudogeni[15]. La scoperta di Hirotsune convinse duebiologi molecolari a riguardare con attenzione la letteratura scientifica riguardante gli pseudogeni. A sorpresa di molti i due ricercatori riscontrarono una serie di casi in cui questi elementi giocavano un ruolo importante nella regolazione dell'espressione dei rispettivi geni[16], costringendo il gruppo di Hirotsune a revocare la loro rivendicazione di essere stati i primi a identificare una funzione per gli pseudogeni[17]. Inoltre, nel 2002 leUniversità di Chicago e diCincinnati riferirono che uno pseudogene processato chiamatofosfoglicerato mutasi oPGAM3[collegamento interrotto] effettivamente produceva una proteina funzionale[18]. In più nel 2006 la stessa scoperta originale di Hirotsuneet al. riguardanteMakorin1 è stata messa fortemente in discussione[19]. Così l'allettante possibilità che almeno alcuni pseudogeni possano avere importanti funzioni biologiche viene ora contestata.
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