Konflikt mellem kopier af det fordoblede gen fører til overdreven komplikation af genregulerende netværk • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Biologi, Genetik

Konflikt mellem kopier af et fordoblet gen fører til overdreven komplikation af genregulatoriske netværk.

Fig. 1. Argininmetabolisme-genreguleringsordning (Arg gener) og gener forbundet med seksuel reproduktion (a gener), Yeast Kluyveromyces lactis og Saccharomyces cerevisiae. Komplekser af proteinregulatorer er knyttet til regulatoriske regioner af DNA (ARG sites, a-specifikke steder) nær kontrollerede gener. i K. lactis Begge grupper af gener (ARG og a) reguleres af komplekser af to Mcm1 proteinmolekyler (homodimerer). i S. cerevisae a-gener reguleres af de samme homodimerer og til regulering af ARG-gener, en heterodimer bestående af Mcm1 og et yderligere regulatorisk protein Arg80, som er fraværende i K. lactis. gen Arg80 dukkede op i forfædre S. cerevisae som et resultat af duplikering af det oprindelige gen MCM1 og den efterfølgende adskillelse af funktioner. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Komplicerede gentekniske eksperimenter relateret til genskabelsen af ​​de langt forsvundne "forfædre" proteiner tillod amerikanske biologer at dechiffrere begivenhedssekvensen, der resulterede i et mere kompliceret genreguleringssystem i forfædrene af bagersgær. Dobbelning af genet tillod to kopier af det multifunktionelle regulerende protein Mcm1 til at akkumulere mutationer, hvilket resulterede i et delvis tab af funktionalitet. Funktionerne tabt af hver kopi var forskellige,takket være, at kopierne er ophørt med at være overflødige: Nu er begge proteiner, forskelligt forkælet af mutationer, blevet vigtige for kroppen. Den yderligere specialisering af de to proteiner blev drevet af det forhold, at de i første omgang konkurrerede og gjorde det vanskeligt for hinanden at arbejde. Minimering af konkurrence krævede yderligere mutationer, der skulle fastsættes. Som følge heraf blev systemet med genregulering mere kompliceret (en ny proteinregulator opstod), selv om der tilsyneladende ikke var noget indledende behov for dette. Komplikation er blevet en bivirkning af en kæde af indbyrdes afhængige hændelser, initieret ved tilfældig duplikering af et gen. Måske er konkurrencen om kopier af fordoblede gener en vigtig mekanisme, der begrænser og styrer processen med dannelsen af ​​evolutionære innovationer.

Duplikation (fordobling) af gener med den efterfølgende opdeling af funktioner mellem kopier er en af ​​de vigtigste ruter for fremkomsten af ​​evolutionære innovationer (se links nedenfor). En ny undersøgelse af biologer fra University of California i San Francisco kaster lys på to vigtige aspekter af denne proces.

For det første viste det sig, at gen-duplikationer kan rent automatisk, gennem en række indbyrdes afhængige mellemliggende trin, føre til komplikationen af ​​genregulerende netværk.Dette sker selvom der ikke er et tydeligt behov for en sådan komplikation, og kroppen kan fortsætte med at gøre det samme med et forfædre, enklere system for genregulering.

For det andet viste arbejdet, at kopier af det fordoblede gen (paraloger) ikke altid let og hurtigt adskiller funktioner, især hvis genet er inkluderet i et komplekst netværk af intermolekylære interaktioner. I dette tilfælde begynder kopierne, der næppe er begyndt at opdele funktionerne, at konkurrere om substraterne og forstyrre hinandens arbejde. For at eliminere denne konkurrence kræves yderligere mutationer, som bidrager til den endelige transformation af paraloger i to specialiserede proteiner med en streng ansvarsfordeling.

Forfatterne studerede virkningerne af gent duplikering. MCM1 i gær. Dette gen er i alle svampe. Det koder for et vigtigt regulatorisk protein (transkriptionsfaktor), som kombinerer i komplekser med andre regulatoriske proteiner (cofaktorer), er knyttet til DNA for at aktivere nærliggende gener (figur 1).

I nogle typer gær (for eksempel i Kluyveromyces lactisa) Argininmetabolismegener (ARG) reguleres af et kompleks af to Mcm1-proteinmolekyler (sådanne komplekser hedder homodimerer), som igen binder Arg81-cofaktoren (figur 1A). Bager's gær Saccharomyces cerevisiae og deres nærmeste familiemedlemmer, proteinkomplekset, der regulerer ARG-generens arbejde, er mere komplekst. Det omfatter ikke to, men tre forskellige proteiner. I stedet for en homodimer af to Mcm1 molekyler bruger Baker's gær en heterodimer – De Forenede molekyler af Mcm1 og Arg80 proteinerne (figur 1, B).

En anden gruppe gener (α-gener, der er ansvarlige for de "seksuelle egenskaber" af gær tilhørende typen parring a, se bestemmelse af typen af ​​parring i gær) er den samme for alle gærer: ved anvendelse af Mcm1 homodimeren i kombination med cofaktoren Matα1 (figur 1, C, D).

således S. cerevisae a-gener (og mange andre gener kontrolleret af Mcm1) reguleres på samme måde som i andre gærer, mens ARG-gener reguleres mere kompleks med deltagelse af det yderligere Arg80-protein, hvilket andre gær ikke har. Forfatterne satte op til at forstå årsagerne til denne forskel.

Genomalyse afslørede, at Arg80 var afledt af Mcm1 som følge af gent duplikation. Forfædrene til S. cerevisae Det oprindelige gen, der koder for Mcm1-proteinet, er blevet fordoblet. Derefter forankrede i hver af de to kopier forskellige aminosyresubstitutioner. En af kopierne (Mcm1 of Baker's yeast) bevarede de fleste af de oprindelige reguleringsfunktioner, mens den anden (Arg80) ændrede sig mere og specialiserede sig i regulering af ARG-gener.

Forfatterne konstruerede Mcm1 / Arg80 evolutionært træ af proteiner og rekonstruerede aminosyresekvenserne af tre forfædre proteiner, der besidder nøglepositioner på træet (fig. 2).

Fig. 2. Evolutionært proteintræ Mcm1 / Arg80. Cirkler angiver positionen af ​​de tre rekonstruerede forfædrede proteiner. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Den første af de "opstandne" proteiner blev kaldt AncMADS. Her er "Anc" afledt af ordet "forfader" (forfader), MADS (se MADS-box) – navnet på en omfattende gruppe af regulerende proteiner, som omfatter de pågældende proteiner. AncMADS er proteinet, hvis gen gennemgik dobbeltarbejde i forfader af Baker's yeast (og deres nærmeste pårørende). Det andet rekonstruerede protein, AncMcm1, er den oprindelige version af Mcm1 protein af Baker's yeast og dens slægtninge, det vil sige en af ​​to paraloger dannet efter dobbeltarbejde og adskillelse af funktioner. Endelig er AncArg80 den oprindelige version af den anden paralogue, Arg80 proteinet.

Forfatterne syntetiserede generne af de rekonstruerede forfædre proteiner og introducerede dem i cellerne af Baker's gær, uden deres egne proteiner Mcm1 og Arg80. Tabet af Mcm1 er fatal for gær under alle omstændigheder, og uden Arg80 forstyrrer de argininmetabolisme, som bliver kritisk i et miljø, hvor arginin (eller dets ornithinforgænger) er den eneste kilde til nitrogen.

Det viste sig, at pre-duplikationsversionen af ​​det forfædrede protein (AncMADS) klare arbejdet i begge moderne proteiner (Mcm1 og Arg80). Gær, der mangler et eller begge af disse proteiner, overlever og reproducerer normalt, hvis AncMADS-proteingenet indsættes i deres genom. Det forfædte protein AncMcm1 erstatter den moderne Mcm1 med succes, men kan ikke kompensere for tabet af Arg80. Følgelig kompenserer det forfædte protein AncArg80 for tabet af Arg80, men sparer ikke gæren uden Mcm1.

Disse resultater, i kombination med andre eksperimentelle data, viste, at to kopier af det oprindelige AncMADS-gen hurtigt efter overlapning akkumulerede mutationer, der førte til et delvis tab af funktionalitet. En af paralogerne (AncMcm1) har mistet evnen til at forbinde med cofactor Arg81, og den anden (AncArg80) har glemt, hvordan man kommunikerer med cofactor Matα1 (figur 3).

Fig. 3. Delvis tab af funktionalitet ved paralogs efter dobbeltarbejde. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Forfatterne formåede at finde specifikke aminosyresubstitutioner, som ændrede strukturen af ​​proteinmolekylets "cofactor-bindende lomme", hvilket førte til et partielt tab af funktionalitet. AncMcm1 mistede evnen til at interagere med Arg81 på grund af en substitution, som blev arvet af alle nuværende Mcm1 "post-duplikation" -gærproteinvarianter.AncArg80 mistede sin evne til at interagere med Matα1 på grund af tre andre aminosyresubstitutioner (som også er bevaret i de moderne efterkommere af dette protein).

Resultaterne viser, at opdelingen af ​​funktioner mellem paraloger var baseret på den såkaldte "subfunctionalization", det vil sige det delvise tab af forskellige aspekter af den oprindelige funktion med to kopier af det fordoblede gen. Mange teoretikere har tidligere betragtet et sådant scenario for adskillelse af funktioner som det mest sandsynlige.

Efter duplikering af et gen forbliver mutationer, der krænker funktionaliteten i et af eksemplerne, ikke skadelige og ikke afskærmet ved udvælgelse. Der er stadig en anden kopi, der klare det arbejde, som den første kopi ikke længere kan klare. Når et af eksemplerne har mistet en funktion, vil udvælgelsen ikke længere tillade tab af den samme funktion ved den anden kopi. Dette forhindrer dog ikke den anden kopi i at miste enhver anden funktion, der stadig bevares i den første kopi. Hvis dette sker, vil kopierne ikke længere være "overflødige". Nu kan ingen af ​​dem gå tabt uden et kraftigt fald i fitnessen (og derfor vil udvælgelsen ikke tillade dem at gå tabt).Som et resultat modtager kroppen i stedet for et "ulæseligt" multifunktionelt protein to specialiserede.

Det mest interessante er, at denne komplikation af molekylær organisation ikke nødvendigvis skal være "nyttig", det vil sige øge organismenes egnethed. Det er muligt, at efter dobbeltarbejde og adskillelse af funktioner vil kroppen ikke føle sig bedre end før disse hændelser. For eksempel blev gær, hvor Mcm1 og Arg80 proteinerne blev erstattet af forfædre AncMADS, ikke blevet værre end normalt, i de beskrevne eksperimenter. På lang sigt kan overlapning og underfunktionalisering åbne nye evolutionære muligheder, fordi to kopier af det oprindelige gen (og deres funktioner) nu kan udvikle sig mere eller mindre uafhængigt. Men det naturlige udvalg ved intet om fjerne perspektiver. Det fokuserer kun på "her og nu". Komplikationen af ​​molekylær organisation i dette scenario er ikke mere end et side (omend naturligt) resultat af en utilsigtet fordobling af genet.

Ikke at stoppe der, besluttede forfatterne at teste hypotesen om, at de resulterende paraloger kan komme i konflikt og forstyrre hinanden efter dubling af multifunktionelle proteiner, såsom AncMADS, involveret i et komplekst netværk af interaktioner med andre proteiner.For eksempel kunne den nydannede paralog AncArg80, der glemte, hvordan man interagerer med cofaktoren Matα1, "fejlagtigt" slutte sig til a-genreguleringsområdet og tage plads på DNA'et, hvor en anden paralog skulle være knyttet, AncMcm1. Som følge heraf ville reguleringen af ​​a-gener blive overtrådt. Hvis en sådan konflikt mellem paraloger virkelig eksisterede på et tidspunkt, så skulle udvælgelsen i fremtiden have støttet og forstærket mutationer, som reducerer sværhedsgraden.

På udkig efter sådanne mutationer tog forfatterne opmærksom på den del af AncArg80-molekylet, som er ansvarlig for at binde proteinet til DNA'et. Fem aminosyresubstitutioner er fundet her, der gør bindingen mellem protein og DNA mindre holdbar. Måske er det takket være disse substitutioner, at AncMcm1-proteinet og dets efterkommere, der bevarer evnen til at klæbe tæt på DNA'et og sejre over Arg80 i konkurrencen om retten til at deltage i a-genreguleringsområdet? For at teste denne dristige hypotese konstruerede forfatterne en version af AncArg80, uden de ovennævnte fem substitutioner i det DNA-bindende område. Genet for dette protein blev indført i gærgenomet i stedet for genet, der blev fjernet derfra. Arg80. Resultatet bekræftede forskernes forventninger: I modificeret gær blev reguleringen af ​​a-gener fuldstændigt forstyrret.Når de fem mutationer blev sat på plads igen, begyndte a-generne at arbejde normalt igen.

Følgelig var den adaptive betydning af de fem substitutioner, som svækkede forbindelsen mellem Arg80 og DNA, mest sandsynligt at udjævne konflikten mellem paralogerne. Takket være disse substitutioner går Arg80 ikke i sin egen virksomhed og interfererer ikke med en anden paralog, Mcm1, for at regulere a-generens arbejde. Det kan siges, at konsolidering af disse fem substitutioner endelig omsatte kopier af de fordoblede AncMADS til to forskellige proteiner. Ved at acceptere en sådan formulering kan vi være enige med forfatterne, der mener, at konflikten mellem paralogerne i dette tilfælde bidrog til komplikationen af ​​genreguleringssystemet (komplikation, vi husker, var at ARG-gener, som tidligere var kontrolleret af to proteinregulatorer, nu blev kontrolleret tre).

Derudover forklarer svækkelsen af ​​Arg80-bindingen med DNA, hvorfor ARG-gener reguleres af Mcm1 + Arg80-heterodimeren og ikke af Arg80 + Arg80-homodimeren. Det er muligt, at Mcm1 protein simpelthen hjælper Arg80 med at holde fast på DNA (i regulatoriske regioner af ARG-gener). Hvad der forhindrer Mcm1 + Mcm1 homodimerer i at komme ind på disse steder, konkurrerer med heterodimerer og forstyrrer ARG-generens arbejde, er stadig uklart.

Ifølge forfatterne kan konflikter mellem paraloger være en vigtig evolutionær faktor, der begrænser og styrer processen med dannelsen af ​​evolutionære innovationer ved duplikering af gener.

Kilde: Christopher R. Baker, Victor Hanson-Smith, Alexander D. Johnson. Efter genduplikation begrænser Paralog Interferens Transkriptionelle Circuit Evolution // Videnskab. 2013. V. 342, s. 104-108.

Se også den evolutionære rolle gen duplikering:
1) Multifunktionelle gener – grundlaget for evolutionære innovationer, "Elements", 06/30/2008.
2) I det langsigtede eksperiment blev den gradvise dannelse af en evolutionær innovation, "Elements", optaget den 25. september 2012.
3) Fremgangsmåden ved fremkomsten af ​​nye enzymer spores i et evolutionært eksperiment, "Elements", 10.23.2012.
4) Doubling af gener kan føre til sammensætning, "Elements", 04.02.2009.
5) Den evolutionære historie af et af de menneskelige gener er sporet, "Elements", 06/17/2008.
6) Lancelet genomet hjalp med at afdække hemmeligheden bag den evolutionære succes hos hvirveldyr, Elements, 23. juni, 2008.
7) Lugt og farvesyn i udviklingen af ​​pattedyr udviklet i antiphase, "Elements", 06/18/2008.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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