23.07.2008

Многофункциональные гены — основа для эволюционных новшеств

Многие гены выполняют в организме сразу две или более функций. При этом возникает «адаптивный конфликт»: мутации, улучшающие одну из функций, вредят другой и поэтому не могут закрепиться. Биологам из Университета Дьюка (США) удалось показать на конкретном примере, что дупликация бифункционального гена приводит к разделению труда между возникшими копиями. Каждая из копий оптимизируется для решения одной из двух задач, и выполнение обеих функций в результате становится более эффективным.

Идея о том, что дупликация генов служит важнейшим источников эволюционных новшеств, была высказана еще в 1930-е годы выдающимся биологом Джоном Холдейном (Haldane J. B. S. The part played by recurrent mutation in evolution // Am. Nat. 1933. V. 67. P. 5–19). Сегодня в этом нет никаких сомнений. Только за один последний месяц было опубликовано сразу несколько интересных работ, проливающих новый свет на эволюционную роль дупликации генов (см. ссылки внизу). И вот еще одна такая статья, весьма важная в теоретическом отношении, появилась на сайте журнала Nature. В ней американские исследователи сумели на конкретном фактическом материале показать реальность одного из механизмов возникновения эволюционных новшеств в результате дупликации генов — механизма, который ранее предполагался, но почти не имел прямых подтверждений.

Появление в геноме «лишней» копии гена открывает свободу для эволюционного экспериментирования. Мутации, возникающие в одной из двух копий и вызывающие ослабление исходной функции гена, не будут отсеиваться отбором, потому что остается вторая копия, которая сохраняет прежнюю функциональность. Отбор отсеивает только те мутации, которые проявляются в фенотипе и снижают приспособленность организма, а для этого нужно, чтобы испортились сразу обе копии гена. Поэтому одна из копий, скорее всего, останется более или менее неизменной, а другая начнет свободно накапливать случайные мутации. С большой вероятностью эта меняющаяся копия в конце концов будет безнадежно испорчена или вовсе потеряна. Однако есть реальный шанс, что какая-нибудь мутация придаст меняющейся копии новое полезное свойство. Вполне достаточно, чтобы это новое свойство было изначально выражено в самой минимальной степени. Отбор «ухватится» за возникшее преимущество и начнет оптимизировать ген для выполнения новой функции.

Такой способ возникновения эволюционных новшеств в результате дупликации генов называют нео-функционализацией (neo-functionalization, NEO-F). Одна из копий удвоившегося гена остается под действием очищающего отбора, не меняется и сохраняет старую функцию, в то время как другая копия приобретает новую, которой у исходного гена не было. Разумеется, в большинстве случаев эта новая функция будет родственна исходной, это будет некая вариация на старую тему. Типичный пример — появление специализированных рибонуклеаз у жвачных, а также у некоторых обезьян, питающихся листьями. В обоих случаях одна из двух копий дуплицировавшейся «обычной» рибонуклеазы изменилась таким образом, чтобы эффективно расщеплять РНК в новых условиях, а именно в специализированном отделе желудка, где симбиотические микроорганизмы переваривают несъедобную для животных целлюлозу.

Однако теоретически возможен и другой путь появления эволюционных новшеств в результате дупликации генов — уход от адаптивного конфликта (escape from adaptive conflict, EAC). Хорошо известно, что многие гены выполняют в организме не одну, а несколько функций (для простоты изложения мы будем в дальнейшем говорить о случае, когда функций две). Такой ген обычно находится в состоянии «адаптивного конфликта». Если в нём возникает мутация, улучшающая выполнение одной из функций, она будет расценена отбором как «полезная» и сможет закрепиться только в том случае, если от этого не слишком сильно пострадает вторая функция. В результате ген балансирует между двумя направлениями оптимизации, и его структура представляет собой компромисс между противоречивыми требованиями отбора. Понятно, что в такой ситуации ни одна из двух функций не может быть доведена до совершенства. Для подобных генов дупликация может стать «долгожданным избавлением» от внутреннего конфликта. Если многофункциональный ген наконец дуплицируется, возникшие копии с большой вероятностью поделят между собой функции и быстро оптимизируются в разных направлениях.

Можно ли на практике отличить NEO-F от EAC? Раньше никто всерьез над этим не задумывался, если не считать недавней статьи Криса Хиттингера и Шона Кэрролла (Chris Todd Hittinger, Sean B. Carroll. Gene duplication and the adaptive evolution of a classic genetic switch // Nature. 2007. V. 449. P. 677–681), где был впервые документирован явный случай EAC у дрожжей. К слову замечу, что Шон Кэрролл недавно написал превосходную популярную книгу «The making of the fittest», где он подробно и очень понятно рассказал о том, как в ходе эволюции возникают новые гены, признаки и функции.

Авторы обсуждаемой статьи рассудили, что отличить NEO-F от EAC в принципе должно быть не так уж сложно. В первом случае одна из копий гена подвергается очищающему (стабилизирующему) отбору и продолжает выполнять исходную функцию с прежней эффективностью, а вторая копия подвергается положительному (движущему) отбору. О том, какому из двух типов отбора подвергается ген, можно судить по соотношению синонимичных и значимых замен (подробнее об этом см.: Прослежена эволюционная история одного из человеческих генов, «Элементы», 17.06.2008). В случае EAC обе копии подвергаются положительному отбору, причем растет эффективность выполнения обеих функций.

Авторы применили эти критерии к дуплицированному гену одного из ферментов, участвующих в синтезе пигментов антоцианов у растения из семейства вьюнковых — ипомеи. Фермент называется дигидрофлавонол-4-редуктаза (DFR). Он восстанавливает различные флавоноиды, превращая их в красные, пурпурные или синие пигменты-антоцианы. Это исходная, первичная функция данного фермента, которую он выполняет практически у всех цветковых растений. Кроме того, фермент способен катализировать ряд других химических реакций, причем полный спектр его возможностей и функций на сегодняшний день не установлен.

У ипомеи и нескольких ее ближайших родственников ген DFR присутствует в виде трех копий, расположенных вплотную друг к другу (DFR-A, DFR-B, DFR-C). У других вьюнковых ген имеется только в одном экземпляре. Филогенетический анализ показал, что все вьюнковые с утроенным геном DFR образуют «кладу», то есть группу, происходящую от одного общего предка и включающую всех его потомков. На начальных этапах эволюции этой группы ген подвергся двум последовательным дупликациям. Сначала возникло две копии, одна из которых стала геном DFR-B, а вторая дуплицировалась еще раз и превратилась в DFR-A и DFR-C.

По соотношению синонимичных и значимых замен авторы установили, что после первой дупликации тот ген, который впоследствии разделился на DFR-A и DFR-C, находился под действием положительного отбора (в нём быстро фиксировались значимые замены, то есть шла адаптивная эволюция). С меньшей уверенностью можно утверждать, что адаптивная эволюция генов DFR-A и DFR-C продолжалась еще какое-то время после второй дупликации. Что касается гена DRF-B, то анализ соотношения синонимичных и значимых замен не дал внятных результатов (скорость фиксации значимых замен после дупликации не демонстрирует статистически значимого роста). Это, казалось бы, свидетельствует в пользу гипотезы NEO-F, то есть говорит о том, что ген DRF-B сохранил исходную функцию, а гены DFR-A и DFR-C приобрели новую. Однако окончательные выводы на этом этапе делать еще рано, потому что важные адаптивные изменения могут быть обусловлены очень небольшим количеством значимых замен. В принципе, даже одна-единственная аминокислотная замена может существенно изменить свойства белка. Анализ соотношения значимых и синонимичных замен — метод не слишком точный, он не может выявить следы положительного отбора в том случае, если дело ограничилось всего одной-двумя значимыми заменами (даже если эти замены радикально изменили свойства белка).

Чтобы точно установить, имела ли место адаптивная эволюция гена DFR-B после дупликации, необходимо было экспериментально исследовать свойства кодируемого им белка. Именно это и проделали авторы. Они изучили каталитическую активность белков DFR-A, DFR-B и DFR-C ипомеи, а также единственный вариант белка DFR других вьюнковых (и их родственников), у которых соответствующий ген не был дуплицирован. Все белки проверялись на способность восстанавливать пять разных субстратов (веществ из группы флавоноидов).

Оказалось, что белок DFR-B ипомеи работает очень эффективно со всеми пятью субстратами. Белок DFR вьюнковых и их родственников, у которых данный ген не был дуплицирован, справляется с той же работой значительно хуже. Наконец, белки DFR-A и DFR-C вообще не проявляют никакой каталитической активности по отношению к этим пяти субстратам.

Таким образом, белок DFR-B после дупликации стал гораздо лучше справляться со своей основной функцией — восстановлением флавоноидов, — чем до дупликации. И это несмотря на то, что после дупликации в нём зафиксировалось очень немного значимых замен. Авторам удалось показать, что одна-единственная аминокислотная замена в ключевой позиции резко повысила эффективность фермента. История получилась довольно детективная.

У большинства цветковых растений в позиции 133 в белке DFR стоит аминокислота аспарагин (Asn133), которая играет важную роль в «схватывании» ферментом своего субстрата. Белки DFR с Asn133 очень эффективно восстанавливают флавоноиды. Однако у далеких предков вьюнковых (точнее, у общего предка паслёноцветных и горечавковых) этот столь важный аспарагин заменился на аспарагиновую кислоту (Asp133). Это привело к значительному ухудшению «флавоноидной» функции фермента. Почему же такая вредная мутация зафиксировалась, не была отсеяна отбором? Авторы видят только одно разумное объяснение. Они предполагают, что к тому времени у белка DFR в этой эволюционной линии (то есть у предков паслёноцветных и горечавковых) появилась какая-то новая дополнительная функция. Отбор начал оптимизировать белок сразу по двум направлениям, и замена аспарагина на аспарагиновую кислоту в 133-й позиции была следствием компромисса между противоречивыми требованиями, прямым результатом «адаптивного конфликта». В чём состоит эта дополнительная функция, авторы, к сожалению, выяснить не сумели. Учитывая, что изменение произошло в том участке белка, который отвечает за связывание субстрата, можно предположить, что речь идет о работе с какими-то новыми субстратами.

С тех пор большинству паслёноцветных и горечавковых пришлось довольствоваться «компромиссным» вариантом белка DFR. Но когда в одной из эволюционных линий ген DFR удвоился, предки ипомеи получили уникальную возможность уйти от адаптивного конфликта и разделить функции между белками. И эту возможность они не упустили. После дупликации у белка DFR-B восстановился аспарагин в 133-й позиции. Это привело к резкому усилению каталитической активности по отношению к флавоноидам. Эффективность фермента снова стала высокой, как у далеких предков, у которых этот фермент еще не имел дополнительной функции. И для этого хватило одной-единственной аминокислотной замены (именно поэтому анализ соотношения значимых и синонимичных замен не выявил следов положительного отбора в гене DFR-B).

Что же произошло с генами DFR-A и DFR-C? Очевидно, они должны были вовсе отказаться от старой функции (то есть от работы с флавоноидами) и полностью посвятить себя выполнению новой функции. Если замена аспарагина на аспарагиновую кислоту была компромиссным решением, позволявшим кое-как совместить обе функции в одном белке, то можно предположить, что у DFR-A и DFR-C аспарагиновая кислота заменится на что-то еще, но только не на аспарагин. Так и произошло. У разных видов ипомей в белке DFR-A 133-ю позицию занимают разные аминокислоты, а в белке DFR-C здесь всегда стоит изолейцин. Присутствие изолейцина в этой позиции полностью лишает белок способности работать с флавоноидами.

Хотя в этом исследовании осталась одна досадная «дырка» — так и не удалось узнать, в чём же состоит новая функция белков DRF — тем не менее полученные результаты убедительно показывают, что в данном случае имел место именно «уход от адаптивного конфликта» (EAC), а не «нео-функционализация» (NEO-F). Ген DRF стал бифункциональным задолго до дупликации. Дупликация позволила разделить функции между копиями гена, снять «адаптивный конфликт» и оптимизировать каждый ген для эффективного выполнения какой-то одной функции.

Судя по ряду косвенных признаков, многие случаи, ранее интерпретированные как NEO-F, в действительности могут представлять собой примеры EAC. К сожалению, пока невозможно дать количественную оценку частоты встречаемости этих двух вариантов. Строгие оценки численного соотношения одно- и многофункциональных генов тоже пока отсутствуют.

В конце статьи авторы делают важное замечание. Они указывают, что в случае EAC, по сравнению с NEO-F, вероятность сохранения «лишних» копий гена, возникших в результате дупликации, будет, возможно, более высокой. Ведь если дуплицированный ген выполнял две разные функции еще до дупликации, то процесс EAC может быть инициирован многими разными мутациями в любой из двух копий. Авторы высказывают эту мысль довольно робко («Intuitively, we suspect...»), хотя мысль, по-моему, правильная. Надо полагать, случайные мутации с большей вероятностью могут чуть-чуть усилить одну из существующих функций белка, чем создать совсем новую, хотя данное утверждение, безусловно, нуждается в строгой проверке.

С этих позиций намного легче понять результаты других исследований, в том числе данные о двух полногеномных дупликациях, произошедших на заре эволюции позвоночных (см.: Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных, «Элементы», 23.06.2008). У древних позвоночных весь геном учетверился, но из множества появившихся «лишних» генов сохранилась только малая часть. Больше всего сохранилось всевозможных генов-регуляторов, в том числе регуляторов индивидуального развития, от которых зависит строение взрослого организма и которые в конечном счете определяют эволюцию по пути усложнения. Но естественный отбор не умеет заглядывать в будущее. Он не мог заранее знать, что позвоночные собираются эволюционировать именно в сторону усложнения. Не потому ли сохранились дубликаты генов-регуляторов, что уже у древнейших позвоночных эти гены были многофункциональными, «компромиссными», и не могли толком оптимизироваться для выполнения какой-то одной конкретной формообразующей функции? Может быть, две полногеномные дупликации предоставили древним позвоночным уникальную возможность быстро снять многие из накопившихся «адаптивных конфликтов» — и, как следствие, избавиться от принципиальных запретов, стоявших на пути морфологических преобразований?

Александр Марков

Источники:

1. Элементы - новости науки
2. David L. Des Marais, Mark D. Rausher. Escape from adaptive conflict after duplication in an anthocyanin pathway gene // Nature. Advance online publication 25 June 2008