На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)

Свежие комментарии

  • Владимир
    Риск снижается, но все равно в итоге приводит к 100 % смертности.Инфаркт миокарда ...

Жизненно важные гены эволюционируют быстрее, если их белки сотрудничают с другими белками

Критически важные гены (КВГ) выполняют самые древние и фундаментальные функции в клетке и абсолютно необходимы для ее жизнедеятельности. Как правило, КВГ эволюционируют очень медленно. Некоторые КВГ настолько статичны, что их версии (ортологи) в геномах разных организмов остаются взаимозаменимыми спустя сотни миллионов лет после расхождения этих организмов.

Например, некоторые КВГ дрожжей можно заменить их человеческими версиями, и такие химерные клетки будут жизнеспособными. При этом другие КВГ быстро утрачивают совместимость. Чтобы понять, от чего это зависит, тайваньские биологи заменяли КВГ пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisae ортологами, взятыми у четырех других видов дрожжей, различающихся по времени отделения от предков S. cerevisae. Это позволило оценить темпы эволюции 86 генов. Оказалось, что быстрее всего эволюционируют КВГ, белковые продукты которых входят в состав сложных белковых комплексов. Результаты подтверждают идею, что способность КВГ меняться, утрачивая совместимость с чужими геномными контекстами, но сохраняя при этом свою функцию, связана с межмолекулярными взаимодействиями. Если белковый продукт КВГ тесно сотрудничает с другими белками, то случайные изменения его аминокислотной последовательности могут быть скомпенсированы изменениями белков-партнеров. Это дает белкам, работающим в команде, чуть больше эволюционной свободы по сравнению с белками, делающими свою работу в одиночку.

Критически важными (essential) называют гены, абсолютно необходимые для жизни клетки в нормальных условиях. Например, у пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae из 6000 имеющихся в геноме белок-кодирующих генов лишь около 1000 являются критически важными (см.: Зачем нужны «ненужные» гены, «Элементы», 22.04.2008). Если хотя бы один КВГ вывести из строя, дрожжи становятся нежизнеспособными на богатой лабораторной питательной среде.

Как правило, КВГ выполняют эволюционно древние функции, связанные с самыми фундаментальными клеточными процессами. Неудивительно, что КВГ находятся под строгим контролем очищающего отбора. Мутации в КВГ с большой вероятностью оказываются вредными и отбраковываются. Поэтому эволюция КВГ в целом идет очень медленно.

Эволюционный консерватизм КВГ проявляется, в частности, в том, что многие из них остаются взаимозаменимыми даже по прошествии сотен миллионов лет независимой эволюции в геномах давно разошедшихся групп организмов. Например, дрожжи, у которых был выведен из строя тот или иной КВГ, во многих случаях могут быть спасены (rescued) пересадкой человеческой версии (ортолога) этого КВГ.

Впрочем, взаимозаменимость КВГ не абсолютна. Так, в недавнем весьма трудоемком исследовании было показано, что из 414 проверенных КВГ дрожжей лишь половина сохранила взимозаменимость со времен дивергенции грибов и людей (A. H. Kachroo et al., 2015. Evolution. Systematic humanization of yeast genes reveals conserved functions and genetic modularity).

Почему многие КВГ со временем утрачивают взамозаменимость? Ведь выполняемые ими клеточные функции более или менее одинаковы у дрожжей и людей. Именно такие функции имел в виду Жак Моно, один из отцов современной молекулярной биологии, в своем знаменитом афоризме «Что верно для кишечной палочки, то верно и для слона».

Вопрос можно переформулировать так: почему одни белки с консервативной функцией сохраняют способность ее выполнять в совершенно разных генетических контекстах, в то время как другие со временем утрачивают совместимость с чуждым геномным окружением?

Причина может быть связана с эпистазом (см. Epistasis) и межмолекулярными взаимодействиями. Если белок выполняет свою функцию в тесном сотрудничестве с другими белками (например, входит в состав сложного белкового комплекса), то случайные аминокислотные замены, немного меняющие свойства белка, могут быть скомпенсированы заменами, которые произойдут в белках-партнерах. Такой белок будет «контекстозависимым», и у него будет чуть больше эволюционной свободы. Он и его белки-партнеры будут понемногу согласованно меняться. Рано или поздно белок потеряет совместимость с чужим геномным окружением, то есть, по сути, с неподходящими белками-партнерами.

Напротив, у белка, выполняющего свою работу в гордом одиночестве, то есть не вовлеченного в тесные функциональные взаимодействия с другими белками, рабочие качества должны меньше зависеть от молекулярного окружения. У такого белка, если он критически важен, все рабочие свойства должны оставаться крайне консервативными, и он, скорее всего, будет долго сохранять совместимость с чужими геномными контекстами.

Проверяемое следствие из сказанного состоит в том, что критически важные белки, выполняющие свою работу в тесном сотрудничестве с другими белками, должны быстрее утрачивать совместимость с чуждым генетическим окружением, чем белки, работающие в одиночку.

Тайваньские биологи, чья статья опубликована 30 марта в журнале Nature Ecology & Evolution, экспериментально проверили это предсказание на пяти видах дрожжей, различающихся по времени дивергенции. Общая идея исследования отражена на рис. 1. Ученые по очереди выводили из строя КВГ пекарских дрожжей S. cerevisiae и заменяли их ортологами, взятыми у одного их четырех других видов дрожжей, отделившихся от предков S. cerevisiae 50, 100, 270 и 420 млн лет назад.

Если все четыре ортолога оказывались совместимыми с генетическим контекстом S. cereisiae, КВГ считался «статичным». Если спасти клетки с отключенным КВГ могли только ортологи, взятые у близких, но не у дальних родственников, КВГ попадал в категорию «эволюционирующих постепенно». Если связь совместимости с родством оказывалась немонотонной, ген считали «эволюционирующим прерывисто». Наконец, если ни один из четырех ортологов не мог заменить утраченный КВГ, ген попадал в категорию «эволюционирующих быстро».

Всего таким способом проверили 86 КВГ. Из них примерно половина (44) оказались «статичными». Это похоже на результаты процитированного выше исследования, в котором КВГ дрожжей заменялись человеческими ортологами. То есть, по-видимому, около половины КВГ эволюционируют так медленно, что сохраняют взаимозаменимость и через 420 млн лет (время дивергенции S. cerevisae и Schizosaccharomyces pombe), и даже через 1300 млн (примерное время дивергенции дрожжей и людей). При этом, дрожжи, которым вместо их родного «статичного» гена вставили ген близкого родственника (Naumovozyma castellii), росли в среднем быстрее, чем те, кому достался ортолог от дальней родни. Это значит, что несовместимость нарастает постепенно и становится заметна еще до того, как КВГ полностью перестанет работать в чуждом окружении.

В категорию «постепенных» попало 25 КВГ. Этим генам хватило 420 млн лет эволюции дрожжей, чтобы утратить совместимость с геномами дальней родни.

«Прерывистых» КВГ обнаружилось семь. Несовместимость у этих генов развивалась неравномерно в разных эволюционных линиях. Этому можно подобрать логичные объяснения. Например, у Yarrowia lipolytica набор тРНК отличается от такового у S. cerevisiae. Поэтому проблемы с совместимостью некоторых КВГ у этих двух видов могут быть связаны с неодинаковой частотой использования кодонов и соответствующими различиями в тонких настройках аппарата трансляции.

Наконец, восемь КВГ попали в категорию «быстрых». Эти гены, если удалить их из генома S. cerevisiae, не могут быть заменены даже ортологами близких родственников, таких как Naumovozyma castellii, чей последний общий предок с пекарскими дрожжами жил всего лишь 50 млн лет назад.

Четыре категории КВГ различаются по степени дивергенции белок-кодирующих последовательностей ортологов (по числу несинонимичных нуклеотидных различий). Как и следовало ожидать, сильнее всего различаются ортологи быстрых КВГ, меньше всего — ортологи статичных КВГ. Иными словами, у быстрых КВГ быстрее меняются не только требования к геномному окружению, но и аминокислотная последовательность кодируемого белка.

Анализ последовательностей подтвердил, что быстрые КВГ изменялись быстрее других не только в линии S. cerevisae, но и в других эволюционных линиях дрожжей. Это значит, что полученные результаты нельзя объяснить какими-то частными особенностями эволюционной судьбы выбранного для анализа вида (в данном случае — S. cerevisae). Некоторые КВГ действительно по самой своей природе склонны эволюционировать быстрее других.

Чем объясняется эта склонность? По-видимому, отчасти она объясняется тем, что быстро эволюционирующие КВГ почти всегда входят в состав многокомпонентных белковых комплексов. Если из 44 статичных КВГ компонентами белковых комплексов являются только 23 (52%), то из 40 нестатичных — 34 (85%, различие статистически значимо).

Белковые продукты всех восьми быстрых КВГ оказались компонентами больших, сложных и древних белковых комплексов. Среди них — четыре субъединицы комплекса стимуляции анафазы (APC/C) и по одному компоненту комплексов SNARE (служит для слияния мембранных пузырьков с клеточной мембраной), TFIID (регуляция транскрипции), комплекса разборки сплайсосом (spliceosome disassembly) и комплекса поддержания теломер (telomere maintenance).

Авторы провели дополнительные эксперименты, чтобы проверить, действительно ли быстрые КВГ теряют совместимость с чужими геномными контекстами из-за согласованной эволюции с белками-партнерами. Если эта гипотеза верна, то добавление подходящих партнеров должно спасать нежизнеспособные клетки, в которых их родной быстрый СВГ был заменен чужим ортологом. Это было проверено — и подтвердилось. Исследователям удалось подобрать спасительных партнеров для шести из восьми быстрых КВГ (а для двух оставшихся нашлись разумные объяснения, почему с ними фокус не удался: например, компонент комплекса поддержания теломер, по-видимому, коэволюционировал с какими-то нуклеотидными последовательностями ДНК, а не с другими белками).

Подробнее всего авторы разобрались с комплексом APC/C. Это древний комплекс, выполняющий несколько жизненно важных функций. По-видимому, он был уже у последнего общего предка всех современных эукариот. Из 13 составляющих его белков девять являются критически важными для C. cerevisiae. Эти белки связаны друг с другом сложной сетью взаимодействий, от которых зависит стабильность комплекса. Четыре компонента APC/C попали в категорию быстрых КВГ. Это значит, что замена любого из них на ортолог, взятый у другого вида дрожжей (даже у близкородственного N. castellii), делает клетки нежизнеспособными. Однако присутствие правильных белков-партнеров спасает такие клетки от гибели.

Например, клетки S. cerevisiae, у которых их родной белок Apc2 (компонент комплекса APC/C) заменен ортологом, взятым у N. castellii, не выживают. Но если добавить в эти клетки ген белка Apc11 (другого компонента APC/C, тесно контактирующего с Apc2, рис. 2), тоже взятый у N. castellii, то жизнеспособность клеток восстанавливается. В обратную сторону это тоже работает: клетки N. castellii с Apc2 от S. cerevisiae не выживают, но, если добавить ген Apc11 от S. cerevisiae, клетки становятся жизнеспособными. Это сильный аргумент в пользу того, что развитие несовместимости у быстрых КВГ действительно объясняется коэволюцией с белками-партнерами.

Рис. 2. Структура двух компонентов комплекса APC/C

Авторы провели много генно-инженерных экспериментов, меняя отдельные аминокислоты в белках — компонентах APC/C и создавая химерные белки (например, половина белка Apc2 от S. cerevisiae, а другая — от N. castellii). Из результатов этих опытов начала вырисовываться некая общая схема согласованной эволюции компонентов комплекса.

Чтобы комплекс нормально работал, он должен быть стабильным. Для этого его компоненты должны хорошо подходить друг к другу, как детальки трехмерного паззла. При этом комплекс большой и сложный, а его стабильность поддерживается не одним-двумя, а множеством межбелковых взаимодействий. Тем самым обеспечивается некоторый запас прочности. Благодаря этому запасу комплекс не обязательно выходит из строя, если слегка меняется (и начнет чуть хуже прилегать к соседу) один из компонентов (например, Apc2). В дальнейшем у белка-соседа (например, у Apc11) могут закрепиться изменения, улучшающие контакт с изменившимся Apc2. На этом этапе несовместимости с исходным геномным контекстом еще нет. Но если теперь на другом конце молекулы Apc2 произойдут другие изменения, чуть нарушающие контакт с каким-то третьим белком, и у этого третьего белка тоже закрепятся какие-то компенсаторные изменения, то теперь уже новая версия Apc2 может оказаться несовместимой с исходным контекстом. Запаса прочности у белкового комплекса хватает, чтобы выдержать одну-две «шероховатости» в межбелковых взаимодействиях. Это дает компонентам некоторую эволюционную свободу. Но при нарастании числа таких шероховатостей комплекс в какой-то момент просто разваливается или теряет работоспособность.

К слову, именно такой («выпуклый») характер зависимости приспособленности от числа молекулярных погрешностей — сначала всё вроде бы нормально, но потом происходит резкий обвал, — помогает объяснить, почему не вымирают виды с очень быстрым мутагенезом, как рассказано в новости Вредные мутации в геноме усиливают влияние друг друга («Элементы», 24.05.2017).

Согласованная эволюция компонентов белкового комплекса может приводить к развитию у расходящихся видов генетической несовместимости — той самой, о которой рассказано в новости Генетическая несовместимость нарастает по параболе («Элементы», 26.09.2010). Замечательно, что при этом и функция белкового комплекса, и все его рабочие качества остаются практически неизменными. То есть фенотип остается прежним, а его генетический и белковый базис неуклонно меняется. По похожей схеме может происходить и реорганизация регуляторных генных сетей при сохранении их рабочих свойств (C. Dalal, A. D. Johnson, 2017. How transcription circuits explore alternative architectures while maintaining overall circuit output), и перестройка системы детерминации пола — при неизменном присутствии в популяции всё тех же самцов и самок (см. Переход от хромосомного определения пола к температурному может произойти за одно поколение, «Элементы», 06.07.2015) — и другие эволюционные процессы.

Дальнейшие исследования наверняка помогут лучше понять, почему одни жизненно важные компоненты белковых комплексов подвержены быстрой согласованной эволюции, а другие нет. Но общая идея, кажется, уже понятна.

Источник: Huei-Yi Lai, Yen-Hsin Yu, Yu-Ting Jhou, Chia-Wei Liao & Jun-Yi Leu. Multiple intermolecular interactions facilitate rapid evolution of essential genes // Nature Ecology & Evolution. 2023. DOI: 10.1038/s41559-023-02029-5.

См. также:
1) Зачем нужны «ненужные» гены, «Элементы», 22.04.2008.
2) Изготовлена бактерия с синтетическим минимальным геномом, «Элементы», 28.03.2016.

Александр Марков

Adblock test (Why?)

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх