Konfliktas tarp dvigubo geno kopijų lemia pernelyg didelę genų reguliavimo tinklų komplikaciją. • Aleksandras Markovas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Biologija, genetika

Konfliktas tarp dvigubo geno kopijų sukelia pernelyg sudėtingą genų reguliavimo tinklų komplikaciją.

Pav. 1. Arginino metabolizmo genų reguliavimo schema (Arg genai) ir genų, susijusių su lytiniu atstatymu (α genaimielės Kluyveromyces lactis ir Saccharomyces cerevisiae. Baltymų reguliatorių kompleksai pridedami prie DNR reguliavimo sričių (ARG svetaines, α specifinės vietos) šalia kontroliuojamų genų. Turiu K. lactis Abi genų grupes (ARG ir α) reguliuoja dviejų Mcm1 baltymų molekulių kompleksai (homodimerai). Turiu S. cerevisae α genas reguliuojamas tomis pačiomis homodimeromis ir ARG genų reguliavimui – heterodimetrą, susidedantį iš Mcm1 ir papildomo reguliuojančio baltymo Arg80, kurio nėra K. lactis. Genas Arg80 pasirodė protėviai S. cerevisae dėl pradinio geno dubliavimo Mcm1 ir vėlesnis funkcijų atskyrimas. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Kompleksiniai genetinės inžinerijos eksperimentai, susiję su ilgai dingusių "protėvių" baltymų atkūrimu, leido Amerikos biologams iššifruoti įvykių, dėl kurių kepenų mielių protėviai sukūrė sudėtingesnę genų reguliavimo sistemą, seka. Žmogaus padvigubėjimas leido dviem daugiafunkcinio reguliuojamo baltymo Mcm1 kopijoms sukaupti mutacijas, dėl ko dalinai prarandama funkcinė savybė. Kiekvienos kopijos prarandamos funkcijos skiriasi.dėl ko kopijos nustojo būti nereikalingos: dabar baltymai, skirtingai sugadinti dėl mutacijų, tapo svarbūs organizmui. Tolesnę šių dviejų baltymų specializaciją skatino tai, kad iš pradžių jie konkuruoja, todėl sunku dirbti vieni kitiems. Siekiant sumažinti konkurenciją, reikia nustatyti papildomas mutacijas. Dėl to gliukozės reguliavimo sistema tapo sudėtingesnė (pasirodė naujas baltymų reguliatorius), nors akivaizdu, kad to nebuvo būtina. Komplikacija tapo šalutiniu tarpusavyje susijusių įvykių grandine, kurią inicijavo atsitiktinis geno dubliavimas. Galbūt dvigubų genų kopijų konkursas yra svarbus mechanizmas, ribojantis ir orientuojantis į evoliucinių naujovių formavimo procesą.

Genų kopijavimas (dvigubinimas) ir tolesnis funkcijų pasidalijimas tarp kopijų yra vienas iš pagrindinių evoliucinių naujovių atsiradimo būdų (žr. Nuorodas žemiau). Naujasis San Francisko Kalifornijos universiteto biologų tyrimas parodo du svarbius šio proceso aspektus.

Pirma, tai parodė, kad genų kopijavimas gali būti grynai automatiškai, naudojant daugybę tarpusavyje susijusių tarpinių etapų, dėl kurio atsiranda genas reguliuojančių tinklų komplikacija.Tai atsitinka, net jei nėra akivaizdaus tokių komplikacijų poreikio, o organizmas galėtų ir toliau daryti tą patį su protėviu, paprasčiausią genų reguliavimo sistemą.

Antra, darbas parodė, kad dvigubo geno kopijos (paralogai) ne visada lengvai ir greitai atskiria funkcijas, ypač jei šis genas yra įtrauktas į sudėtingą tarpmolekulinių sąveikų tinklą. Tokiu atveju kopijos, kurios vos pradėjo funkcijas padalyti, pradeda konkuruoti dėl substratų ir trukdyti vienas kito darbui. Siekiant pašalinti šią konkurenciją, reikalingos papildomos mutacijos, kurios prisideda prie galutinio paralogų transformavimo į du specializuotus baltymus, turinčius griežtą atsakomybės pasidalijimą.

Autoriai tyrė genų dubliavimo poveikį. Mcm1 mielėse. Šis genas yra visose grybose. Ji koduoja svarbų reguliuojamą baltymą (transkripcijos faktorių), kuris, derinant kompleksuose su kitais reguliuojamaisiais baltymais (kofaktoriais), suteikia DNR, kad aktyvuotų netoliese esančius genus (1 pav.).

Kai kuriuose mielių tipuose (pvz., In Kluyveromyces lactisa) Arginino metabolizmo genus (ARG) reguliuoja dviejų Mcm1 baltymų molekulių kompleksas (tokie kompleksai vadinami homodimerais), kuris, savo ruožtu, jungiasi prie Arg81 kofaktoriaus (1A pav.). Kepinių mielės Saccharomyces cerevisiae ir jų artimiausi giminaičiai, baltymų kompleksas, kuris reguliuoja ARG genų darbą, yra sudėtingesnis. Tai apima ne du, bet tris skirtingus baltymus. Vietoj homomoderio iš dviejų Mcm1 molekulių, Baker mielės naudoja heterodimerą – jungtines Mcm1 ir Arg80 baltymų molekules (1 pav., B).

Kita genų grupė (α-genai, atsakingi už mielių "lytines charakteristikas", priklausančias poravimosi tipui α, žr. Matingių poravimosi tipo nustatymas) yra vienodas visiems mielėms: naudojant Mcm1 homodimerą kartu su kofaktoriumi Matα1 (1 pav. C, D).

Taigi, S. cerevisae α-genai (ir daugelis kitų Mcm1 kontroliuojamų genų) yra reguliuojami taip pat, kaip ir kitose mielėse, o ARG genai yra reguliuojami sudėtingiau, dalyvaujant papildomam Arg80 baltymui, kurio kitose mielėse nėra. Autoriai siekė suprasti šio skirtumo priežastis.

Genų analizė parodė, kad Arg80 buvo gautas iš Mcm1 dėl genų dubliavimo. Protėviai S. cerevisae Originalus genas, koduojantis Mcm1 baltymą, buvo padvigubintas. Po to kiekvienoje iš dviejų egzempliorių įtvirtinti įvairūs aminorūgščių pakeitimai. Viena iš kopijų (McM1 iš Bakerio mielių) išlaikė daugumą pirminių reguliavimo funkcijų, o kita (Arg80) pasikeitė ir specializavosi reguliuojant ARG genus.

Autoriai sukūrė evoliucinį baltymų medį Mcm1 / Arg80 ir rekonstravo trijų protėvių baltymų aminorūgščių seką, užimančias pagrindines medžio vietas (2 pav.).

Pav. 2 Evoliucinis baltymų medis Mcm1 / Arg80. Ratai nurodo trijų rekonstruotų protėvių baltymų padėtį. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Pirmasis iš "prisikėlusių" baltymų vadinamas AncMADS. Čia "Anc" yra kilęs iš žodžio "protėvis" (protėvis), MADS (žr. MADS dėžutę) – plačios reguliuojančių baltymų grupės pavadinimas, į kurį įtraukiami nagrinėjami baltymai. AncMADS yra baltymas, kurio genas buvo dubliuojamas Baker mielių protarpyje (ir jų artimiausiuose giminaičiuose). Antrasis rekonstruotas baltymas AncMcm1 yra originalus bakterijų mielių Mcm1 baltymo ir jo artimųjų variantas, tai yra vienas iš dviejų paralogų, susidariusių po funkcijų dubliavimo ir atskyrimo. Galiausiai AncArg80 yra antrojo paralogo, Arg80 baltymo, versija.

Autoriai sintezė rekonstruotų protėvių baltymų genus ir juos įvedė į Bakerio mielių ląsteles, neturinčias savo baltymų Mcm1 ir Arg80. Mcm1 nuostoliai bet kokiomis aplinkybėmis yra mirtini, o be Arg80 jie sutrikdo arginino metabolizmą, kuris tampa kritinis aplinkoje, kurioje argininas (ar jo ornitino pirmtakas) yra vienintelis azoto šaltinis.

Pasirodo, kad antikomandilio baltymo (AncMADS) prieš kopijavimo versija susidoroja su šiuolaikinių baltymų (Mcm1 ir Arg80). Mielės, kurioms trūksta vieno ar abiejų šių baltymų, išgyvena ir paprastai atsinaujina, jei AncMADS baltymo genas įterpiamas į jų genomą. AncMcm1 protėvių baltymas sėkmingai pakeičia modernią Mcm1, tačiau negali kompensuoti Arg80 praradimo. Todėl protėvių baltymas AncArg80 kompensuoja Arg80 praradimą, bet nesaugo mielių, neturinčių Mcm1.

Šie rezultatai, kartu su kitais eksperimentiniais duomenimis, parodė, kad netrukus po kopijavimo dvi originalios AncMADS geno kopijos sukaupė mutacijas, dėl kurių dalinai prarandama funkcinė savybė. Vienas iš paralogų (AncMcm1) prarado galimybę prisijungti prie kofaktoriaus Arg81, o kitas (AncArg80) pamiršo, kaip bendrauti su kofaktoriumi Matα1 (3 pav.).

Pav. 3 Dalinis funkcionalumo praradimas paralogams po dubliavimo. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Autoriai sugebėjo rasti konkrečių amino rūgščių pakaitalų, kurie pakeitė baltymų molekulės "cofactor-binding kocket" struktūrą, dėl kurios buvo iš dalies prarasta funkcionalumas. AncMcm1 prarado gebėjimą bendrauti su Arg81 dėl vieno pakeitimo, kuris buvo paveldėtas visais dabartiniais Mcm1 "po kopijavimo" mielių baltymų variantais.AncArg80 prarado gebėjimą bendrauti su Matα1 dėl kitų trijų amino rūgščių pakaitalų (kurie taip pat saugomi šiuolaikiniuose šio baltymo palikuonyse).

Rezultatai rodo, kad funkcijų pasidalijimas tarp paralogių buvo grindžiamas vadinamuoju "subfunkcionalizavimu", ty daline praradimu skirtingų pradinės funkcijos aspektų dviem dvigubo geno kopijomis. Daugelis teoretikų anksčiau laikė tokį funkcijų atskyrimo scenarijų kaip greičiausiai.

Po geno kopijavimo mutacijos, pažeidžiančios vienos kopijos funkcionalumą, nebėra kenksmingos ir neatrankamos pasirinkimu. Galų gale yra antroji kopija, kuri sėkmingai įveikia darbą, kurį pirmoji kopija daugiau nebegali daryti. Kai viena iš kopijų prarado kokią nors funkciją, pasirinkimas nebegali leisti prarasti tą pačią funkciją antrojo egzemplioriaus. Tačiau tai neužkerta kelio antrajai kopijai pralaimėti bet kokią kitą funkciją, kuri vis dar išsaugota pirmojoje kopijoje. Jei taip atsitiks, kopijos nebebus "nereikalingos". Dabar nė vienas iš jų negali būti prarastas be staigaus fitneso sumažėjimo (todėl pasirinkimas neleis jiems prarasti).Dėl to, vietoj vieno "neįskaitomo", daugiafunkcinio baltymo, organizmas gauna du specializuotus baltymus.

Įdomiausia yra tai, kad ši molekulinės organizacijos komplikacija nebūtinai turi būti "naudinga", tai yra, padidina organizmo tinkamumą. Gali būti, kad po funkcijų dubliavimosi ir atskyrimo kūnas jausis negeriau nei prieš šiuos įvykius. Pavyzdžiui, aprašytuose eksperimentuose, mielės, kuriose Mcm1 ir Arg80 baltymai buvo pakeisti AncMADS protėviu, augo ne blogiau nei įprastai. Ilgainiui dubliavimasis ir subfunkcionalizacija gali atverti naujas evoliucines galimybes, nes dvi pradinio geno kopijos (ir jų funkcijos) dabar gali vystytis daugiau ar mažiau savarankiškai. Tačiau natūrali atranka nieko nežino apie tolimos perspektyvos, ji orientuota tik į "čia ir dabar". Molekulinės organizacijos komplikacija šiame scenarijuje yra ne daugiau kaip pusė (nors ir natūralus) atsitiktinio geno padvigubėjimo rezultatas.

Neapsiribojant, autoriai nusprendė išbandyti hipotezę, kad po daugiafunkcinių baltymų, tokių kaip AncMADS, dubliavimo, dalyvaujančio sudėtingame sąveikos su kitais baltymų tinkle, susidarę paralogai gali konfliktuoti ir trukdyti vieni kitiems.Pavyzdžiui, naujai suformuotas paragonas AncArg80, pamiršęs, kaip sąveikauti su kofaktoriumi Matα1, gali "klaidingai" prisijungti prie a-genu reguliuojamos srities, užimdamas vietą DNR, kur turi būti pridėtas kitas paralogas, AncMcm1. Dėl to būtų pažeistas a-genų reguliavimas. Jei toks konfliktas tarp paralogių iš tiesų egzistavo vienu metu, ateityje atranka turėjo palaikyti ir sustiprinti mutacijas, kurios sumažina jo sunkumą.

Tokių mutacijų paieškoje autoriai atkreipė dėmesį į AncArg80 molekulės dalį, kuri yra atsakinga už baltymo pritvirtinimą prie DNR. Čia randama penkių aminorūgščių pakaitalų, kurie jungia baltymus ir DNR ilgiau. Gal dėl šių pakeitimų dėl AncMcm1 baltymo ir jo palikuonių, kurie išlaiko gebėjimą glaudžiai prisirišti prie DNR, ir vyrauja virš Arg80 konkuruojant už teisę prisijungti prie a-genuos reguliavimo srities, dėl šių pakeitimų? Norėdami išbandyti šią drąsią hipotezę, autoriai sukūrė AncArg80 versiją, neturinčią pirmiau minėtų penkių pakaitų DNR įpareigojančioje srityje. Šio baltymo genas buvo įvestas į mielių genomą vietoj iš ten pašalinto geno. Arg80. Rezultatas patvirtino tyrėjų lūkesčius: modifikuotose mielėse, a-genų reguliavimas buvo visiškai sutrikdytas.Kai penkios mutacijos buvo grąžintos į vietą, alfa genai vėl pradėjo normaliai dirbti.

Todėl prisitaikanti penkių pakaitų reikšmė, susilpnėjusi Arg80 ir DNR ryšys, greičiausiai buvo lygiagreti konfliktą tarp paralogių. Dėl šių pakeitimų Arg80 nesiruošia savam verslui ir netrukdo kitam paralogui, Mcm1, reguliuoti α-genų darbą. Galima sakyti, kad šių penkių pakeitimų konsolidavimas galiausiai tapo dvigubų AncMADS kopijų dviem skirtingais baltymais. Priimdami tokią formuluotę galime sutikti su autoriais, kurie mano, kad šiuo atveju konfliktas tarp paralogų prisidėjo prie genų reguliavimo sistemos komplikacijos (komplikacija, mes prisimename, buvo tai, kad ARG genai, kuriuos anksčiau kontroliuoja du baltymų reguliatoriai, dabar buvo kontroliuojami trys).

Be to, susilpnėjęs Arg80 ryšys su DNR paaiškina, kodėl ARG genai reguliuojami Mcm1 + Arg80 heterodimeriu, o ne Arg80 + Arg80 homodimeriu. Gali būti, kad Mcm1 baltymas tik padeda Arg80 laikytis DNR (ARG genų reguliuojamose srityse). Tai, kas neleidžia Mcm1 + Mcm1 homodimerams prisijungti prie šių svetainių, konkuruoja su heterodimerais ir trukdo dirbti su ARG genais, vis dar neaiškus.

Pasak autorių, konfliktai tarp paralogių gali būti svarbus evoliucinis veiksnys, ribojantis ir orientuojantis evoliucinių naujovių formavimo procesą genų dubliavimu.

Šaltinis: Christopheris R. Baker, Viktoras Hansonas-Smitas, Aleksandras D. Johnsonas. Po genų kopijavimo paraloginiai trikdžiai riboja transkripcijos grandinės evoliuciją // Mokslas. 2013. V. 342. P. 104-108.

Taip pat žr. Genų dubliavimo evoliucinį vaidmenį:
1) Daugiafunkciniai genai – evoliucinių naujovių pagrindas, "Elements", 2008 06 30.
2) Ilgalaikio eksperimento metu laipsniškas evoliucinės inovacijos formavimas "Elements" buvo užfiksuotas 2012 m. Rugsėjo 25 d.
3) Naujų fermentų, atsiradusių evoliuciniame eksperimente, atsiradimo procesas, "Elements", 2012 10 10.
4) Žolių padvigubinimas gali sukelti formavimąsi, "Elements", 2009.02.04.
5) Atskleidžiama vieno žmogaus genų evoliucinė istorija: "Elements", 2008 06/17.
6) lanksčių genomas padėjo atskleisti paslaptį evoliucinės sėkmės stuburinių, Elements, 2008 m. Birželio 23 d.
7) Kvėpavimo ir spalvos regėjimas žinduolių evoliucijoje, sukurtos priešpaskutiniame etape, "Elements", 2008 06/18.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: