High Fitness Costs and Instability of Gene Duplications Reduce Rates of Evolution of New Genes by Duplication-Divergence Mechanisms

新功能化 亚功能化 生物 基因复制 功能分歧 基因 拷贝数变化 遗传学 基因剂量 选择(遗传算法) 进化生物学 基因家族 基因组 基因表达 计算机科学 人工智能
作者
M. Adler,Mehreen Anjum,Otto G. Berg,Dan I. Andersson,Linus Sandegren
出处
期刊:Molecular Biology and Evolution [Oxford University Press]
卷期号:31 (6): 1526-1535 被引量:105
标识
DOI:10.1093/molbev/msu111
摘要

An important mechanism for generation of new genes is by duplication-divergence of existing genes. Duplication-divergence includes several different submodels, such as subfunctionalization where after accumulation of neutral mutations the original function is distributed between two partially functional and complementary genes, and neofunctionalization where a new function evolves in one of the duplicated copies while the old function is maintained in another copy. The likelihood of these mechanisms depends on the longevity of the duplicated state, which in turn depends on the fitness cost and genetic stability of the duplications. Here, we determined the fitness cost and stability of defined gene duplications/amplifications on a low copy number plasmid. Our experimental results show that the costs of carrying extra gene copies are substantial and that each additional kilo base pairs of DNA reduces fitness by approximately 0.15%. Furthermore, gene amplifications are highly unstable and rapidly segregate to lower copy numbers in absence of selection. Mathematical modeling shows that the fitness costs and instability strongly reduces the likelihood of both sub- and neofunctionalization, but that these effects can be offset by positive selection for novel beneficial functions.
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