Többszörös gének, géncsaládok, pszeudogének

Egy teljes gén hibamentes duplikációja identikus kópiákat eredményez. A kópiák további sorsa több módon alakulhat.

Többszörös gének, dózis ismétlődés

Van példa arra, hogy mindkét kópia megőrzi eredeti funkcióját, és ezzel a szervezet nagyobb mennyiségű RNS-t vagy fehérjét képes termelni. Az ilyen, funkcióját megőrző ismétlődéseket dózis ismétlődésnek (dose repetition) nevezik. A különböző RNS osztályokat meghatározó gének valamint a hiszton gének dózis ismétlődései meglehetősen gyakoriak. A szervezetnek nagy mennyiségű tRNS-re és rRNS-re van szüksége a fehérjeszintézishez, hasonlóképpen a kromoszómák fő strukturális eleméből, a hisztonfehérjékből is rövid idő alatt nagy mennyiség előállítása szükséges.

Nagyobb genomban egyszerre több helyen folyik transzláció, mint egy kisebb genomban. Ennek megfelelően összefüggést lehet kimutatni a genom mérete és az rRNS valamint a tRNS gének száma között. Az emberi mitokondrium csak 13 fehérjét kódoló gént tartalmaz, amelyek transzlációjához elegendő a 12S és a 16S rRNS génekből egyetlen kópia. A humán sejtek haploid genomja a mitokondriális genomnál több százezerrel nagyobb, az rRNS gének száma kb. 300, míg tRNS génből kb. 1300 kópia van jelen. A karmosbéka (Xenopus laevis) genomja több mint kétszer nagyobb a humán genomnál, rRNS-ből kb. 500, tRNS-ből több mint 7 ezer másolat mutatható ki. 

Géncsaládok 

Arra is van példa, hogy a másolat működőképes marad, de mutációk következtében valamilyen mértékben megváltozik. Amennyiben a változások száma kicsi, és jellegük nem érinti alapvetően a fehérje szerkezetét, a gén eredeti funkciója egyáltalán nem, vagy csak kis mértékben módosul. Több olyan enzimet ismerünk (pl. laktát dehidrogenáz, aldoláz, kreatin kináz), amelynek génjei több változatban vannak jelen a genomban. Az egyes enzimváltozatok ugyanazt a reakciót katalizálják, de biokémiai tulajdonságaikban, szövet specifitásukban lehet eltérés. A vér alvadásban szerepet játszó thrombin és a tripszin emésztő enzim génjének szekvenciája hasonló, és bizonyítható, hogy egyetlen gén az idők folyamán módosult másolatairól van szó. Az azonos eredetű, szekvenciájukban nagyon hasonló gének összessége a géncsalád. A géncsalád tagjai többnyire egymás közelségében helyezkednek el a kromoszómán.

A génmásolatok az idők során olyan nagymértékben is megváltozhatnak, hogy bár közös eredetük kimutatható, mégsem célszerű egyetlen család tagjaiként jelölni őket. Megegyezés szerint amennyiben a homológ fehérjék aminosav szekvenciája 50%-nál nagyobb eltérést mutat, szupercsaládról (gene superfamily) beszélnek (Dayhoff, 1978). Az a-globulinok aminosavszekvenciája 50%-nál kisebb mértékben különbözik, ezért egyetlen géncsaládba tartoznak. A b-globulinok szintén azonos családba tartoznak. Az a-glubulinok és a b-globulinok közötti különbség azonban már meghaladja az 50%-ot így e két család (a mioglobinokkal) együtt, egy szupercsaládot alkot. Mint annyiszor, ez az osztályozás is önkényes, ugyanis a százalékos eltérés mértéke gyakran nem feleltethető meg a tényleges evolúciós távolságnak.

A populációgenetikai vizsgálatokban különös jelentősége van azoknak a géncsaládoknak, amelyek tagjai azonos funkciójú enzimet, vagy enzim domént kódolnak. Az enzimváltozatok ugyanis egyszerű eszközökkel, gél-elektroforézissel kimutathatók, és így egy populációból sok egyed alapján lehet mérni a genetikai változatosságot. A gerincesekben a laktát dehidrogenáz enzim alegységekből épül fel. Az alegységek kétféle típusuak lehetnek (A vagy B), a két típust két külön gén kódolja. Kihangsúlyozzuk, hogy nem egyetlen gén allélváltozatairól van szó (allozim), hanem két lokuszról (izozim). Az enzim összesen négy alegységből áll, vagy csupa A-ból, ennek jele A₄, vagy csupa B-ből, ennek jele B₄, de előfordulhat egyetlen enzim molekulában az A és B alegység is (A₃B, A₂B_2, AB₃), azaz összesen ötféle változat lehetséges. A változatok mindegyike ugyanazt a két reakciót katalizálja: NAD⁺ jelenlétében laktát -> piruvát, NADH jelenlétében piruvát -> laktát a katalízis iránya. Úgy tűnik, hogy a B alegységben gazdag izozimek (pl. LDH-B_4, LDH-AB₃) affinitása magas a koenzim oxidált formája, a NAD⁺ iránt, és így aerob metabolizmust folytató szövetekben, mint pl. a szívben valódi laktát dehidrogenázként funkcionál. Az A alegységben gazdag változatok ugyanakkor a koenzim redukált formáját, a NADH - t kötik erősebben, és így inkább anaerob körülmények között, pl. a vázizomban mint piruvát reduktázok funkcionálnak. A patkány szívben mind az ötféle izoenzim előfordul, gyakoriságuk azonban az állat korával változik. Az embrióban a szív anaerob környezetnek számít, ezért születés előtt gyakoribb a B alegységet tartalmazó enzim, míg a felnőtt szív aerob körülményei között a laktát dehidrogenáznak az A alegységeket tartalmazó változata van jelen.

A négy laktát dehidrogenáz (LDH) izozim előfordulási gyakorisága a kor növekedésével a patkány szívizomban. A negatív és pozitív számok a születés előtti illetve utáni napok számát jelzik. (Markert és Ursprung, 1971, Li és Graur tankönyve alapján)

Látható, hogy a korai anaerob szakaszban az A alegységeket tartalmazó izozimek a gyakoribbak, majd az életkor növekedtével a szívizom egyre inkább aerob környezetnek számít, és ezzel emelkedik a B alegységeket tartalmazó változatok aránya.

Az eddig vizsgált minden gerincesekben jelen van mind az A, mind a B alegységet kódoló gén, ezért feltételezhető, hogy a duplikáció amely a két gént eredményezte, a gerinces evolúció igen korai stádiumában történt. 

Pszeudogének

A pszeudogének olyan génmásolatok, amelyek különböző mutációk következtében minden funkciót elvesztettek. Megjegyzendő, hogy sokan a reverz transzkripcióval keletkezett retropszeudogéneket is egyszerűen pszeudogénként említik.

Számos pszeudogén át sem íródik, mert nem tartalmaz promoter régiót.

Ezen kívül sok egyéb defektust írtak le, amelyek gyakran egyazon pszeudogénben is megállapíthatóak (pl. a leolvasási keret eltolódása, nonszensz mutáció, fontos aminosav kiesése stb.). Az egyik ismert humán globin pszeudogén mindössze egy olyan mutációt - egy korai stop kodont - tartalmaz, amely a gént működésképtelenné tette. (A génektől való megkülönböztetés érdekében a pszeudogéneket görög pszi-vel jelölik.) Ugyanakkor egy másik humán globin pszeudogén legalább 7 olyan mutáción ment keresztül, amelyből egy is elegendő volna a funkció elveszítéséhez.