Исследование № 18

Бессмысленное усложнение

Данное исследование, на наш взгляд, имеет большое мировоззренческое значение. Оно наглядно показывает, как в ходе эволюции сложное может развиться из простого совершенно случайно и без всякой пользы. Организм усложняется, не получая от этого никакой выгоды: эффективность выполнения всех функций остается на прежнем уровне. Этот пример, добавляя конкретики описанным выше оценкам последствий генных дупликаций (см. Исследование № 17), еще раз подчеркивает “недальновидность” естественного отбора, его работу только “здесь и сейчас”. С помощью генно-инженерных экспериментов американские биологи расшифровали последовательность событий, в результате которых у предков пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) усложнилась одна из регуляторных систем. Предковый ген удвоился, и в каждой из двух копий стали накапливаться свои мутации. В итоге каждая копия утратила ту или иную часть исходных функций. Функции, утраченные каждой из копий, были разными, благодаря чему копии перестали быть избыточными – теперь оба гена, по-разному подпорченные мутациями, стали жизненно необходимы организму. Дальнейшая специализация двух генов подстегивалась тем, что поначалу они конкурировали, мешая друг другу работать. Минимизация конкуренции потребовала закрепления дополнительных мутаций. В конце концов система усложнилась (два специализированных гена вместо одного многофункционального), хотя сами дрожжи ничего от этого не выиграли. Усложнение стало побочным эффектом цепочки отчасти случайных, отчасти закономерных событий, начало которым положило случайное удвоение гена.

Данное исследование было выполнено биологами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США) в 2013 году (Baker et al., 2013). Работа пролила свет на процесс появления эволюционных новшеств в результате генных дупликаций – на два важных его аспекта.

Во-первых, она показала, что генные дупликации могут чисто автоматически, через ряд взаимообусловленных промежуточных шагов, приводить к усложнению регуляторных генных сетей. Это происходит даже в том случае, если в подобном усложнении нет необходимости и организм мог бы продолжать с тем же успехом обходиться простой регуляторной сетью.

Во-вторых, работа показала, что копиям удвоившегося гена (паралогам) не всегда удается легко и быстро разделить функции, особенно если ген включен в сложную сеть межмолекулярных взаимодействий. В этом случае копии, едва начав делить функции, начинают конкурировать и мешать друг другу работать. Для устранения этой проблемы требуется закрепление дополнительных мутаций, что способствует окончательному превращению паралогов в два специализированных белка со строгим разделением обязанностей.

Авторы изучили последствия дупликации гена Mcm1 у дрожжей. Этот ген есть у всех грибов. Он кодирует важный регуляторный белок, который, объединяясь в комплексы с другими регуляторными белками (кофакторами), присоединяется к ДНК, чтобы активировать близлежащие гены (рис. 18.1). Mcm1 в целом консервативен, хотя и имеет некоторые различия у разных видов.

У некоторых дрожжей, например Kluyveromyces lactis, гены метаболизма аргинина (ARG) регулируются комплексом из двух белковых молекул Mcm1 (такие комплексы называют гомодимерами), который, в свою очередь, соединяется с кофактором Arg81 (рис. 18.1, а). У пекарских дрожжей, Saccharomyces cerevisiae, и их ближайшей родни белковый комплекс, регулирующий работу генов ARG, устроен сложнее. Он включает не два, а три разных белка. Вместо гомодимера из двух молекул Mcm1 пекарские дрожжи используют гетеродимер – соединенные молекулы белков Mcm1 и Arg80 (рис. 18.1, б), и уже этот гетеродимер соединяется с Arg81.

рис. 18.1. Схема регуляции работы генов, связанных с метаболизмом аргинина (гены ARG) и с половым размножением (гены α), у дрожжей Kluyveromyces lactis и Saccharomyces cerevisiae. Комплексы белков-регуляторов присоединяются к регуляторным участкам ДНК (сайты ARG, сайты α) возле контролируемых генов. У K. lactis обе группы генов (ARG и α) регулируются гомодимерами – комплексами из двух молекул белка Mcm1 (а, в). У S. cerevisiae гены α регулируются такими же гомодимерами (г), а для регуляции генов ARG используется гетеродимер, состоящий из Mcm1 и дополнительного регуляторного белка Arg80, которого нет у K. lactis (б). Ген Arg80 появился у предков S. cerevisiae в результате дупликации исходного гена Mcm1 и последующего разделения функций. Arg81 и Matα1 – кофакторы. По рисунку из Baker et al., 2013.

Другая группа генов (гены α, отвечающие за “половые признаки” дрожжей, относящихся к полу α; см. Исследование № 7 и рис. 7.1) у всех дрожжей регулируется одинаково – при помощи гомодимера Mcm1 в комплексе с кофактором Matα1 (рис. 18.1, в, г).

Таким образом, у S. cerevisiae гены α регулируются так же, как у других дрожжей, а гены ARG – более сложным способом, с участием дополнительного белка Arg80, которого у сородичей нет. Исследователи задались целью разобраться в причинах этого различия.

Сравнение последовательностей рассматриваемых генов у разных видов дрожжей показало, что Arg80 произошел от Mcm1 в результате генной дупликации. У предков S. cerevisiae исходный ген, кодировавший белок Mcm1, подвергся удвоению. После этого в двух копиях закрепились разные мутации. Одна из копий (это Mcm1 пекарских дрожжей) изменилась несущественно и сохранила большую часть исходных регуляторных функций, а другая (Arg80) изменилась сильнее и специализировалась на регуляции генов ARG.

На основе аминокислотных последовательностей белков Mcm1/Arg80 всех видов дрожжей, у которых эти последовательности известны, исследователи построили эволюционное дерево, а также реконструировали аминокислотные последовательности трех предковых белков, занимающих на дереве ключевые позиции (рис. 18.2).

Первый из “воскрешенных” белков получил название AncMADS (Anc – от слова ancestor (“предок”), MADS – обширная группа регуляторных белков, к которой относится в том числе и Mcm1). AncMADS – это тот белок, ген которого подвергся дупликации у общего предка пекарских дрожжей и их ближайшей родни. Второй реконструированный белок, AncMcm1, – это исходный вариант белка Mcm1 пекарских дрожжей и их родни, то есть одного из двух паралогов, сформировавшихся после дупликации и разделения функций. Наконец, AncArg80 – это исходный вариант второго паралога, белка Arg80.

рис. 18.2. Эволюционное дерево белков Mcm1/Arg80. Кружками показано положение трех реконструированных предковых белков. По рисунку из Baker et al., 2013.

Исследователи синтезировали гены реконструированных предковых белков и внедрили их в клетки пекарских дрожжей, у которых их собственные гены Mcm1 и Arg80 были предварительно отключены. Утрата белка Mcm1 смертельна для дрожжей при любых обстоятельствах, а без Arg80 у них нарушается метаболизм аргинина, что критично в среде, где аргинин (или его предшественник орнитин) служит единственным источником азота.

Оказалось, что исходная (до дупликации) версия предкового белка AncMADS прекрасно справляется с работой обоих современных белков Mcm1 и Arg80. То есть в опыте дрожжи, лишенные одного из этих белков или обоих сразу, выживают и нормально размножаются, если в их геном вставлен ген белка AncMADS.

Предковый белок AncMcm1 успешно заменяет современный Mcm1, но не может возместить утрату Arg80. Аналогичным образом предковый белок AncArg80 компенсирует потерю Arg80, но не спасает дрожжи, лишенные Mcm1.

Эти результаты (а также другие экспериментальные данные, но о них мы умолчим, чтобы не пришлось добавлять к этой главе четвертый значок “мозг”) показали, что вскоре после дупликации две копии исходного гена, кодирующего белок AncMADS, накопили мутации, которые привели к частичной потере функциональности паралогичными белками. Один из них (AncMcm1) утратил способность соединяться с кофактором Arg81, а другой (AncArg80) разучился связываться с кофактором Matα1 (рис. 18.3).

Удалось найти и конкретные аминокислотные замены, изменившие структуру “кофактор-связывающего кармана” белковой молекулы, что и привело к частичной утрате функциональности. AncMcm1 потерял способность взаимодействовать с Arg81 из-за одной замены, которая была унаследована всеми современными вариантами белка Mcm1 “постдупликационных” дрожжей (то есть пекарских и их ближайшей родни). AncArg80 лишился способности взаимодействовать с Matα1 из-за трех других аминокислотных замен (которые тоже передались современным потомкам этого белка).

рис. 18.3. Частичная утрата функциональности паралогичными белками (у пекарских дрожжей). По рисунку из Baker et al., 2013.

Эти результаты показывают, что разделение функций между паралогами было основано на субфункционализации, то есть частичной утрате разных аспектов исходной функции двумя копиями удвоившегося гена. Многие теоретики и раньше считали такой сценарий разделения функций наиболее вероятным.

Сразу после удвоения гена мутация в одной из его копий не приносит вреда и не отсеивается отбором, даже если нарушает функциональность, – ведь остается вторая копия, успешно справляющаяся с той работой, которую больше не может выполнять первая. Но как только одна из копий утратит какую-то функцию, отбор уже не допустит подобной потери второй копией, ведь организму необходима хоть одна работающая версия гена. Что, впрочем, не мешает второй копии потерять другую функцию, пока еще сохранившуюся у первой. Если это произойдет, копии перестанут быть “избыточными”. Теперь ни одна из них не может быть утрачена без резкого снижения приспособленности (а значит, отбор не позволит им потеряться). В итоге вместо одного “неразборчивого”, многофункционального белка организм получает два специализированных.

Самое интересное, что такое усложнение молекулярной организации вовсе не обязано быть “полезным”, то есть повышать приспособленность организма. Вполне возможно, что после дупликации и разделения функций организм будет чувствовать себя ничуть не лучше, чем до этих событий. Например, в описанных экспериментах дрожжи, у которых специализированные белки Mcm1 и Arg80 были заменены на предковый универсальный AncMADS, росли не хуже обычных. В отдаленной перспективе дупликация и субфункционализация могут открыть новые эволюционные возможности, ведь две копии исходного гена (и их функции) теперь имеют право эволюционировать более или менее независимо. Но естественный отбор ничего не знает об отдаленных перспективах, он ориентируется только на “здесь и сейчас”. Усложнение молекулярной организации в данном сценарии – лишь побочное (хотя и закономерное) следствие случайного удвоения гена.

Не остановившись на достигнутом, ученые решили проверить гипотезу, согласно которой после удвоения многофункциональных белков, таких как AncMADS, вовлеченных к тому же в сложную сеть взаимодействий с другими белками, возникшие паралоги могут конфликтовать и мешать друг другу работать. Например, новообразовавшийся паралог AncArg80, разучившийся взаимодействовать с кофактором Matα1, мог бы по ошибке присоединяться к регуляторной области генов α, занимая то место на ДНК, куда должен прикрепляться другой паралог, AncMcm1. В результате регуляция генов α оказалась бы нарушена. Если такой конфликт между паралогами действительно когда-то существовал, то в дальнейшем отбор должен был поддержать и закрепить мутации, снижающие его остроту.

В поисках подобных мутаций исследователи обратили внимание на ту часть молекулы AncArg80, которая отвечает за присоединение белка к ДНК. Здесь обнаружилось пять аминокислотных замен, делающих связь белка с ДНК менее прочной. Может быть, именно благодаря этим заменам белок AncMcm1 и его потомки, сохранившие способность крепко цепляться за ДНК, и одерживают верх над Arg80 в конкуренции за право присоединиться к регуляторной области генов α? Чтобы проверить эту смелую гипотезу, ученые сконструировали версию AncArg80, лишенную вышеупомянутых пяти замен в ДНК-связывающей области. Ген этого белка внедрили в геном дрожжей вместо изъятого оттуда гена Arg80. Результат подтвердил ожидания исследователей: у модифицированных дрожжей регуляция генов α оказалась полностью нарушена. Когда пять мутаций вернули на место, гены α снова заработали нормально.

Следовательно, адаптивный смысл пяти замен, ослабивших связь Arg80 с ДНК, скорее всего, действительно состоял в том, чтобы сгладить конфликт между паралогами. Благодаря этим заменам Arg80 не лезет не в свое дело и не мешает другому паралогу, Mcm1, регулировать работу генов α. Можно сказать, что закрепление этих пяти замен окончательно превратило копии удвоившегося AncMADS в два разных белка. Приняв такую формулировку, согласимся с авторами, полагающими, что в данном случае конфликт между паралогами способствовал усложнению системы генной регуляции (усложнение, напомним, состояло в том, что гены ARG, для управления которыми ранее хватало двух белков-регуляторов, теперь стали контролироваться тремя).

Кроме того, ослабление связи Arg80 с ДНК объясняет, почему гены ARG регулируются гетеродимером Mcm1+Arg80, а не гомодимером Arg80+Arg80. По-видимому, белок Mcm1 просто-напросто помогает Arg80 удерживаться на ДНК (на регуляторных участках генов ARG). Что мешает гомодимерам Mcm1+Mcm1 присоединяться к этим участкам, конкурируя с гетеродимерами и нарушая работу генов ARG, – пока неясно.

По мнению исследователей, конфликты между паралогами могут быть важным фактором, направляющим процесс формирования эволюционных новшеств путем дупликации генов.