A megduplázódott gén másolata közötti konfliktus a génszabályozó hálózatok túlzott bonyodalmához vezet • Alexander Markov • Tudományos hírek a "Elemekről" • Biológia, genetika

A megduplázódott gén másolata közötti konfliktus a génszabályozó hálózatok túlzott bonyodalmához vezet.

Ábra. 1. Az arginin metabolizmus gén szabályozási rendszere (Arg gének) és a nemi szaporodáshoz társuló gének (α gének), Élesztő Kluyveromyces lactis és Saccharomyces cerevisiae. A fehérje szabályozók komplexei a DNS szabályozó régióihoz kapcsolódnak (ARG helyek, α-specifikus helyek) ellenőrzött gének közelében. -ban K. lactis Mindkét géncsoport (ARG és α) két Mcm1 fehérjemolekula (homodimerek) komplexei által szabályozható. -ban S. cerevisae Az α géneket ugyanazok a homodimerek szabályozzák, és az ARG gének szabályozására egy Mcm1-ből és egy további Arg80 szabályozó fehérjéből álló heterodimer, amely nem áll rendelkezésre K. lactis. gén Arg80 az őseikben jelentek meg S. cerevisae az eredeti gén megkettőzésének eredményeként Mcm1 és a funkciók ezt követő szétválasztását. Ábra a tárgyalt cikkből tudomány

A régóta eltűnt "ősi" fehérjék újbóli létrehozásával kapcsolatos komplikált géntechnikai kísérletek lehetővé tették az amerikai biológusok számára, hogy megfejtsék az olyan események sorrendjét, amelyek bonyolultabb génszabályozási rendszert eredményeztek a pék élesztő őseinél. A gének megkétszereződése lehetővé tette a Mcm1 multifunkcionális szabályozó fehérje két példányának felhalmozódását, ami a funkcionalitás részleges elvesztéséhez vezetett. Az egyes példányok által elvesztett funkciók eltérőek voltak,melynek köszönhetően a másolatok megszűntek: mostantól mindkét fehérje, amely a mutációk által elkényeztetett, a test számára létfontosságúvá vált. A két fehérje további specializálódását az a tény táplálja, hogy először versengtek egymással, ami megnehezítette egymás munkáját. A verseny minimalizálásához további mutációk szükségesek. Ennek eredményeképpen a génszabályozás rendszere bonyolultabbá vált (új fehérje szabályozó jelent meg), bár nyilvánvalóan nincs szükség erre. A szövődmény egy kölcsönösen összefüggő események láncolatának mellékhatásává vált, amelyet egy gén véletlenszerű megkettőzésével indítottak el. Talán a duplázott gének példányainak versenye fontos mechanizmus, amely korlátozza és irányítja az evolúciós újítások kialakulásának folyamatát.

A gének sokszorosítása (duplázása) a másolatok közötti későbbi funkciók megosztásával az evolúciós újítások kialakulásának egyik fő útja (lásd az alábbi linkeket). A San Francisco-i Kaliforniai Egyetem biológusainak új tanulmánya rávilágít a folyamat két fontos aspektusára.

Először is azt mutatta, hogy a génfeleslegelések pusztán automatikusan, egymást kölcsönösen függő köztes lépéseken keresztül vezethetnek a génszabályozó hálózatok szövődményéhez.Ez akkor is megtörténik, ha nincs nyilvánvaló szükség az ilyen szövődményekre, és a szervezet folytathatja ugyanezt a génszabályozás ősi, egyszerűbb rendszerével.

Másodszor, a munka azt bizonyította, hogy a megduplázott gén (paralogok) másolata nem mindig könnyedén és gyorsan elkülöníti a funkciókat, különösen ha a gén az intermolekuláris interakciók komplex hálózatába tartozik. Ebben az esetben a másolatok, amelyek alig kezdik elosztani a funkciókat, elkezdenek versenyezni a hordozókhoz és zavarják egymás munkáját. Ennek a versenynek a megszüntetéséhez további mutációkra van szükség, amelyek hozzájárulnak ahhoz, hogy a paralógok végső átalakulása két speciális fehérjé legyen, szigorú feladatmegosztással.

A szerzők tanulmányozták a gén-duplikáció hatásait. Mcm1 élesztőben. Ez a gén minden gomba. Fontos szabályozó fehérjét kódol (transzkripciós faktor), amely komplexekkel kombinálva más szabályozó fehérjékkel (kofaktorokkal), kapcsolódik a DNS-hez a közeli gének aktiválásához (1.

Bizonyos típusú élesztőben (pl Kluyveromyces lactisa) Az arginin metabolizmus génjeit (ARG) két Mcm1 fehérjemolekula komplex szabályozza (ilyen komplexeket homodimereknek neveznek), ami viszont az Arg81 kofaktorhoz kötődik (1. ábra, A). Baker élesztő Saccharomyces cerevisiae és a legközelebbi hozzátartozók, az ARG gének működését szabályozó fehérje komplex összetettebb. Nem két, hanem három különböző fehérjét tartalmaz. Két Mcm1 molekula homodimerje helyett a Baker-élesztő egy heterodimeret használ – a Mcm1 és Arg80 fehérjék United molekuláit (1.

A gének másik csoportja (α-gének, amelyek felelősek az élesztő párosodásának típusához tartozó élesztő "szexuális jellemzőiért", lásd az élesztő párosodásának típusát) minden egér esetében megegyezik: a Mcm1 homodimert a Matα1 kofaktorral (1. ábra, C, D).

Így S. cerevisae Az a-gének (és sok más, a Mcm1 által szabályozott gén) ugyanúgy szabályozottak, mint más élesztőkben, míg az ARG-gének összetettebb módon vannak szabályozva, a további élesztőgombák nem tartalmaznak. A szerzők megértették ennek a különbségnek az okait.

A genomelemzés kimutatta, hogy az Arg80 a Mcm1-ből származik a gén-duplikáció eredményeként. Az ősök S. cerevisae Az eredeti gént, amely a Mcm1 fehérjét kódolja, megduplázódott. Ezután a két példány mindegyikében különböző aminosavszubsztitúciókat rejtett. Az egyik példány (McM1 of Baker's yeast) megtartotta az eredeti szabályozási funkciók nagy részét, míg a másik (Arg80) többet változott és az ARG gének szabályozására szakosodott.

A szerzők megalkották a fehérjék Mcm1 / Arg80 evolúciós fáit, és rekonstruálták a három ősfehérje aminosavszekvenciáját, amelyek kulcspozíciókat foglalnak el a fán (2.

Ábra. 2. Evolúciós fehérjefa Mcm1 / Arg80. Körök jelzik a három rekonstruált ősi fehérje helyzetét. Ábra a tárgyalt cikkből tudomány

Az első "feltámadt" fehérjét AncMADS-nek hívják. Itt az "Anc" az "őse" (őse), a MADS (lásd MADS-box) szóból származik – a szabályozó fehérjék kiterjedt csoportjának neve, amely magában foglalja a vizsgált fehérjéket. Az AncMADS a fehérje, amelynek génjét a Baker élesztő őse (és legközelibb hozzátartozói) duplikálta. A második rekonstruált fehérje, az AncMcm1, a Baker élesztő és rokonai Mcm1 fehérje eredeti változata, vagyis a duplikáció és a funkciók szétválasztása után létrejött két párbeszéd egyike. Végül, az AncArg80 a második paralogue, az Arg80 fehérje kezdeti változata.

A szerzők szintetizálták a rekonstruált ősi fehérjék génjeit, és bevezették őket a Baker élesztő sejtjeibe, a saját Mcm1 és Arg80 fehérjéktől mentesen. A Mcm1 vesztesége semmilyen körülmények között nem éri el az élesztőt, és Arg80 nélkül megzavarja az arginin anyagcserét, amely kritikus jelentőségű olyan környezetben, ahol az arginin (vagy ornitin elődje) az egyetlen nitrogénforrás.

Kiderült, hogy az ősi fehérje (AncMADS) előduplikációs változata mindkét modern fehérje (Mcm1 és Arg80) munkájával szembesül. Az egyiknek vagy mindkettőnek hiányzó élesztő túlélése és megszaporodása normális esetben, ha az AncMADS fehérje gént beépítik a genomjukba. Az AncMcm1 ősi fehérje sikeresen felváltja a modern Mcm1-et, de nem tudja kompenzálni az Arg80 veszteségét. Ennek megfelelően az AncArg80 ősi fehérje kompenzálja az Arg80 veszteségét, de nem mentesíti az élesztőt, a Mcm1 nélkül.

Ezek az eredmények, más kísérleti adatokkal együtt, azt mutatták, hogy hamar a megkettőzés után az eredeti AncMADS gén két példánya felhalmozta a mutációt, ami részben a funkcionalitás elvesztéséhez vezetett. Az egyik paralog (AncMcm1) elvesztette az a képességét, hogy csatlakozzon az Arg81 kofaktorhoz, míg a másik (AncArg80) elfelejtette kommunikálni a Matα1 kofaktorral (3.

Ábra. 3. Részleges funkcionalitásvesztés a párhuzamokkal párhuzamosság után. Ábra a tárgyalt cikkből tudomány

A szerzők sikerült megtalálni a specifikus aminosavszubsztitúciókat, amelyek megváltoztatták a fehérje molekula "kofaktor-kötő zsebének" szerkezetét, ami a funkcionalitás részleges elvesztéséhez vezetett. Az AncMcm1 elvesztette az Arg81-gyel való interakció képességét egy szubsztitúció miatt, amelyet az összes Mcm1 "post-duplication" élesztőprotein-variáns örökölt.Az AncArg80 három más aminosavszubsztitúcióval (amely ezen fehérje korszerű leszármazottaiban is fennmarad) miatt elveszítette a Matα1-vel való kölcsönhatását.

Az eredmények azt mutatják, hogy a parabálok közötti függvényosztás az úgynevezett "szubfunkcionalizáció", vagyis az eredeti funkció különböző aspektusainak részleges elvesztése kétszeres duplikációjú génen alapul. Sok teoretikus már korábban úgy vélte, hogy ilyen funkciók szétválasztása a legvalószínűbb.

A gén ismétlődése után az egyik példány működőképességét megszüntető mutációk megszűnnek, és nem kerülnek kiválasztásra a szűrésből – végül is van egy második másolat, amely sikeresen szembesül az első példány munkájával. Miután az egyik példány elvesztette a funkciót, a kiválasztás többé nem teszi lehetővé, hogy a második másolat ugyanazt a funkciót veszítse el. Ez azonban nem akadályozza meg, hogy a második másolat elveszítse az első példányban még megőrzött egyéb funkciókat. Ha ez történik, a másolatok többé nem lesznek "redundánsak". Most egyikük sem veszíthető el a fitness erőteljes csökkenése nélkül (és ezért a kiválasztás nem teszi lehetővé számukra, hogy elveszítsék).Ennek eredményeként egy "olvashatatlan", többfunkciós fehérje helyett a szervezet két speciális szakembert kap.

A legérdekesebb dolog az, hogy a molekuláris szervezetnek ez a bonyolultsága nem feltétlenül "hasznos", azaz növelnie kell a szervezet illeszkedését. Lehetséges, hogy a funkció megkettőzését és szétválasztását követően a test jobban érzi magát, mint korábban. Például a leírt kísérletekben az élesztőgombák, amelyekben a Mcm1 és Arg80 fehérjéket az AncMADS ősi helyettesíti, nem rosszabbak a normálnál. Hosszú távon az átfedések és a szubfunkcionálódás új evolúciós lehetőségeket nyit meg, hiszen az eredeti gén két példánya (és funkciói) ma már többé-kevésbé önállóan fejlődhet. De a természetes kiválasztás semmit sem tud a távolabbi kilátásokról, csak a "itt és mostan". A molekuláris szervezet bonyolultsága ebben a forgatókönyvben nem több, mint a gén véletlen megduplázódásának egyik (bár logikus) eredménye.

A szerzők úgy döntöttek, hogy megakadályozzák a hipotézist, hogy a többfunkciós fehérjék, például az AncMADS duplikációját követően, amelyek más fehérjékkel való kölcsönhatások komplex hálózatába kapcsolódnak, az így létrejövő paralogok egymásnak ütköznek és zavarják egymást.Például az újonnan létrehozott ParagrA, amely elfelejtette, hogyan kell kölcsönhatásba lépni a Matα1 kofaktorral, "tévesen" csatlakozhat az α-gén szabályozó régiójához, helyet foglalva a DNS-ben, ahol egy másik paragógot kell csatlakoztatni, az AncMcm1-et. Ennek eredményeképpen megsértették az a-gének szabályozását. Ha a párbeszédek közötti ilyen konfliktus valóban létezett egyszerre, akkor a jövőben a kiválasztásnak támogatnia és megerősítenie kellene a súlyosságát csökkentő mutációkat.

Az ilyen mutációk keresése során a szerzők figyelték az AncArg80 molekula azon részét, amely felelős a fehérje DNS-hez való kötéséért. Öt aminosavszubsztitúciót találtak itt, amelyek a fehérje és a DNS közötti kötést kevésbé tartósákká teszik. Talán ez a helyettesítéseknek köszönhető, hogy az AncMcm1 fehérje és leszármazottai, akik megtartják a képességüket, hogy szorosan ragaszkodjanak a DNS-hez, és uralkodjanak az Arg80 felett az a-gén szabályozási régióhoz való csatlakozáshoz való jogért? Ennek a merész hipotézisnek a vizsgálatához a szerzők az AncArg80 verzióját szerkesztették, a fenti öt szubsztitúciótól eltekintve a DNS-kötő régióban. A fehérje génjét az élesztő genomjába vittük be az ott eltávolított gén helyett. Arg80. Az eredmények megerősítették a kutatók elvárásait: a módosított élesztőben az a-gének szabályozása teljesen megszűnt.Amikor az öt mutációt helyezték vissza, az α-gének ismét normálisan működtek.

Következésképpen az öt helyettesítés adaptív jelentése, amely meggyengítette az Arg80 és a DNS közötti kapcsolatot, valószínűleg valóban a paralogok közötti konfliktust sima volt. Ezeknek a helyettesítéseknek köszönhetően az Arg80 nem lép be saját üzletébe, és nem akadályozza meg, hogy egy másik paródia, Mcm1, szabályozza az a-gének működését. Elmondható, hogy az öt helyettesítés megszilárdítása végül dupla AnMADS-k másolatát két különböző fehérjávé alakította. Egy ilyen megfogalmazás elfogadásával egyetérthetünk azokkal a szerzőkkel, akik úgy vélik, hogy ebben az esetben a paralógok közötti konfliktus hozzájárult a génszabályozó rendszer szövődményéhez (a szövődmény, emlékeztetünk arra, hogy az ARG géneket, amelyeket korábban két fehérje szabályozó irányított három).

Ezenkívül az Arg80 kötés gyengülése DNS-sel magyarázza, hogy az ARG géneket a Mcm1 + Arg80 heterodimer, és nem az Arg80 + Arg80 homodimer szabályozza. Lehetséges, hogy a Mcm1 fehérje egyszerűen segíti az Arg80-at a DNS-hez (az ARG gének szabályozó régióiban). Mi megakadályozza, hogy a Mcm1 + Mcm1 homodimerek csatlakozzanak ezekhez a helyekhez, heterodimerekkel versengve és az ARG-gének munkájával szemben, még mindig nem tisztázott.

A szerzők szerint a paralogusok közötti konfliktusok fontos evolúciós tényezők lehetnek, az evolúciós újítások kialakulásának korlátozása és irányítása a gének megkettőzésén keresztül.

Forrás: Christopher R. Baker, Victor Hanson-Smith, Alexander D. Johnson. Gene-sokszorosítás után a Paralog Interference Constrains Transcriptional Circuit Evolution // tudomány. 2013. V. 342. P. 104-108.

Lásd még a gén átfedések evolúciós szerepét:
1) Többfunkciós gének – az evolúciós innovációk alapja, "Elements", 2008.06.30.
2) A hosszú távú kísérlet során az evolúciós innováció "Elements" fokozatos kialakulását 2012. szeptember 25-én rögzítették.
3) Az új enzimek kialakulásának folyamata evolúciós kísérletben, "Elements", 2012.2.10.
4) A gének megduplázódása megkülönböztetéséhez vezethet, "Elements", 2009.02.04.
5) Az egyik emberi gén evolúciós története nyomon követhető, "Elements", 2008.06.16.
6) A lancelet genom segített felismerni a gerincesek evolúciós sikere titkait, Elements, 2008. június 23.
7) Szag és színes látás az emlősök evolúciójában, az antiphase-ban, "Elements", 2008.06.16.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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