Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно

Рис. 1. Методика изучения взаимодействий дуплицированных белков (паралогов) с другими белками. D1, D2 — два паралога, появившиеся в результате дупликации единого предкового белка. Рисунок показывает, как оценивают взаимодействие D1 и D2 с неким третьим белком Х. Для этого изготавливают четыре штамма дрожжей. В двух из них к генам, кодирующим D2 и X, пришивают по половинке гена, кодирующего фермент дигидрофолатредуктазу (DHFR). В двух других штаммах эти половинки пришивают к генам D1 и Х. На рисунке эти конструкции обозначены как D2 x PreyX и D1 x PreyX. Кроме того, в каждой паре у одного из штаммов ген второго паралога имеется (WT), а у другого отсутствует (d2Δ — удален ген белка D2, d1Δ — удален ген белка D1). Затем все эти четыре штамма пытаются вырастить на среде, выжить на которой можно, только имея работающий фермент DHFR. В таких условиях выживают только те дрожжи, у которых белки с пришитыми половинками DHFR хотя бы иногда соединяются друг с другом. При этом половинки DHFR оказываются рядом и складываются в функциональный фермент DHFR. В примере, показанном на рисунке, из четырех штаммов три растут хорошо, а четвертый (WT/D2 x Prey X) — плохо. Это значит, что у дрожжей дикого типа (WT) белок X взаимодействует с D1, но не с D2. Нормальный рост штамма d1Δ/D2 x Prey X означает, что при удалении D1 его функцию взаимодействия с Х берет на себя сохранившийся паралог D2, который в обычных условиях (то есть при наличии D1) не взаимодействует с Х. Это пример «компенсации»: один из паралогов восполняет поломку или утрату другого, повышая тем самым помехоустойчивость системы. Успешное развитие штамма d2Δ/D1 x Prey X говорит о том, что для нормального взаимодействия белков D1 и X не требуется участие D2. Но бывают и ситуации, не показанные на рисунке, когда для нормального взаимодействия одного из паралогов с третьим белком требуется присутствие второго паралога. Авторы называют такие ситуации «зависимостями». Зависимости делают систему межбелковых взаимодействий более хрупкой, ведь если один из паралогов не может выполнять свою работу без помощи другого, то функция пострадает при поломке любого из двух паралогов. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Дупликация генов с последующим разделением функций между копиями — один из главных способов появления новых признаков. Ранее на отдельных примерах было показано, что эволюционная судьба паралогов (копий удвоившегося гена) может складываться по-разному, но не хватало количественных оценок вероятности различных эволюционных сценариев. Канадские генетики изучили влияние 56 генных дупликаций, произошедших у предков пекарских дрожжей, на систему взаимодействий между белками в клетке. Оказалось, что в 22 случаях дупликация повысила помехоустойчивость системы. Это проявляется в том, что при потере или поломке одного из паралогов его функции частично или полностью берет на себя сохранившийся паралог. Однако в 19 других случаях утрата одного паралога не только не компенсируется, но и нарушает работу второго, сохранившегося паралога. Таким образом, исследование показало, что копии удвоившегося гена часто становятся взаимозависимыми, после чего одна из них уже не может нормально работать без второй. В результате система не только усложняется, но и становится более хрупкой. Подобные эволюционные процессы могут происходить даже в том случае, если организм не получает от них никакого выигрыша.

«Элементы» неоднократно рассказывали об эволюционной роли генных дупликаций (см. ссылки в конце новости). Удвоение генов — один из главных источников эволюционных новшеств. Дело в том, что появившаяся в геноме «лишняя» копия гена на какое-то время получает небывалую эволюционную свободу. Возникающие в ней мутации не подвергаются немедленной отбраковке, даже если нарушают исходную функцию белка, поскольку сохраняется вторая копия, по-прежнему выполняющая эту функцию.

Чаще всего одна из копий удвоившегося гена (такие копии официально называют «паралогами») просто деградирует под грузом мутаций, выходит из строя (псевдогенизируется) или вовсе утрачивается. Но существует и ряд более интересных сценариев, таких как неофункционализация (появление у одного из паралогов новой функции) и субфункционализация (когда паралоги делят между собой разные аспекты исходной функции).

Если функции паралогов остаются отчасти перекрывающимися (дублирующими друг друга), это повышает помехоустойчивость. Например, мутация, слегка нарушающая работу одного из паралогов, может оказаться менее вредной благодаря дублированию. С другой стороны, такие мутации и отбраковываться отбором будут менее эффективно, так что в долгосрочной перспективе степень дублирования должна уменьшаться.

С другой стороны, на отдельных примерах было показано, что субфункционализация может сопровождаться «бессмысленным», то есть не приносящим пользы организму, усложнением молекулярной организации. Допустим, некая функция ранее успешно выполнялась одним белком. Но вот произошла дупликация, и вместо одного белка появилось два одинаковых паралога. После этого мутации могут испортить один из аспектов функциональности первого паралога. Эти мутации не будут отбракованы отбором, поскольку данный аспект сохранился у второго паралога. Но второй паралог, в свою очередь, может так же легко утратить какой-то другой аспект своей функциональности, сохранившийся у первого паралога. В результате функция, которая отлично выполнялась у предков одним белком, у потомков будет с точно такой же эффективностью (то есть без всякого выигрыша) выполняться двумя взаимодополняющими белками. В итоге система станет сложнее, хотя никакой пользы организму это не принесет (см.: Конфликт между копиями удвоившегося гена ведет к избыточному усложнению генно-регуляторных сетей, «Элементы», 10.10.2013).

Таким образом, эволюционная судьба паралогов может сложиться по-разному. Возможные сценарии в общих чертах известны, теоретически просчитаны и проиллюстрированы отдельными изученными примерами. Логичный следующий шаг — количественная оценка вероятности (частоты реализации) этих сценариев.

Именно этот шаг и попытались сделать канадские биологи, сообщившие в свежем выпуске журнала Science о результатах весьма трудоемкого исследования, выполненного на пекарских дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Авторы выбрали для анализа 112 белков, составляющих 56 паралогичных пар и выполняющих широкий круг функций. По каждому из этих белков удалось получить достаточно полные и надежные данные о взаимодействиях с другими белками. Некоторые пары паралогов появились из-за дупликаций небольших фрагментов генома, другие являются результатом полногеномной дупликации, которая произошла у предков пекарских дрожжей, но не затронула другие дрожжи, такие как Schizosaccharomyces pombe.

Для выявления белок-белковых взаимодействий разработаны эффективные методики, основанные на том, что к двум белкам А и Б, про которые нужно выяснить, взаимодействуют они друг с другом или нет, пришивают разные половинки третьего белка Х (см.: Двугибридный анализ; Protein-fragment complementation assay). В данном случае в роли белка Х выступал фермент дигидрофолатредуктаза (DHFR). Дрожжи с модифицированными генами белков А и Б затем выращивают в условиях, для жизни в которых необходим работающий белок Х. Если белки А и Б взаимодействуют друг с другом, то они должны хотя бы иногда сближаться, и тогда пришитые к ним половинки белка Х получают возможность скрутиться в функциональный белок Х. Этот номер пройдет не со всяким белком, но всё же многие белки способны выполнять свою работу, даже если их части не соединены ковалентными связями, а только сближены в пространстве. Таким образом, если дрожжи в данных условиях живут и размножаются, из этого следует, что белки А и Б взаимодействуют друг с другом.

Для каждого из выбранных 112 белков был составлен список белок-белковых взаимодействий (в среднем примерно по 20 взаимодействий на белок). Затем при помощи хитроумной методики, изображенной на рис. 1, было оценено влияние второго паралога на каждое из этих взаимодействий. Методика позволяет различать три ситуации (рис. 2):

1) Влияние отсутствует. Это значит, что взаимодействие каждого из паралогов с третьим белком не зависит от наличия или отсутствия в клетке второго паралога.

2) Компенсация. В этом случае удаление паралога, который в норме взаимодействует с третьим белком, приводит к тому, что сила взаимодействия оставшегося паралога с этим белком возрастает. Иными словами, второй паралог берет на себя функцию взаимодействия с третьим белком, компенсируя утрату первого паралога. Компенсация свидетельствует о том, что генная дупликация повысила устойчивость белок-белкового взаимодействия. Теперь, чтобы его нарушить, требуется повреждение (например, мутационное) сразу обоих паралогов.

3) Зависимость. В этом случае паралог, который в норме взаимодействует с третьим белком, теряет эту способность при удалении другого паралога. Это значит, что генная дупликация сделала белок-белковое взаимодействие более хрупким, поскольку теперь повреждение любого паралога может его нарушить.

Рис. 2. Изменение сети белок-белковых взаимодействий при дупликации генов (вверху) и при удалении одного из паралогов (внизу). Красный и синий шарики — паралоги, возникшие в результате дупликации исходного белка (красного). Серые шарики — белки, с которыми взаимодействует исходный белок и его потомки — паралоги. Сразу после дупликации (Duplication) функции паралогов идентичны. Затем они начинают накапливать функциональные различия (Divergence). При этом могут быть приобретены новые взаимодействия (Gain) и утрачены старые (Loss). В итоге складывается новая сеть белок-белковых взаимодействий, например, такая, как на рисунке слева внизу. Степень устойчивости этой сети может быть оценена при помощи экспериментов по удалению одного из паралогов (Paralog deletion; удаляется синий паралог). В случае компенсации (Compensation) сохранившийся паралог берет на себя функции утраченного, что проявляется в усилении белок-белковых взаимодействий (Increased PPI). В этом случае можно сказать, что генная дупликация повысила устойчивость системы. В случае зависимости (Dependency) сохранившийся паралог не только не берет на себя чужие функции, но и частично утрачивает собственные (Loss). В этом случае генная дупликация сделала систему более хрупкой (потому что до дупликации для данного белок-белкового взаимодействия было достаточно двух исправных белков, а теперь требуются три, и поломка любого из них может нарушить взаимодействие). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Оказалось, что компенсация и зависимость встречаются примерно с одинаковой частотой. Компенсация была обнаружена в 22 парах паралогов из 56 и затрагивает в общей сложности 91 белок-белковую связь. Зависимость характерна для 19 пар паралогов и затрагивает 137 белок-белковых взаимодействий. При этом компенсация и зависимость редко встречаются вместе в одной и той же паре паралогов (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение выявленных случаев компенсации (красные точки), зависимости (синие точки) и отсутствия достоверного влияния (серые точки) второго паралога на взаимодействие данного паралога с третьим белком. По вертикальной оси — порядковый номер пары паралогов. По горизонтальной оси — влияние отсутствия второго паралога на белок-белковое взаимодействие. Каждая точка соответствует одному белок-белковому взаимодействию. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Авторы также заметили, что взаимное влияние паралогов в большинстве случаев асимметрично, то есть только один из двух паралогов способен компенсировать утрату другого (19 случаев из 22) или только один из паралогов находится в зависимости от другого (14 случаев из 19).

На чем основан механизм компенсации? По идее, то, какой из двух паралогов будет взаимодействовать с третьим белком, может зависеть от количества (концентрации) каждого из паралогов, а также от их аффинности, то есть, грубо говоря, от прочности связывания с этим белком. Можно предположить, что компенсация вызвана тем, что удаление одного из паралогов ведет к росту экспрессии второго. Это было проверено и не подтвердилось. Однако если искусственно повысить экспрессию компенсирующего паралога, то сила его взаимодействия с третьим белком во многих случаях возрастает даже при наличии в клетке другого паралога. Результаты этих и других экспериментов говорят о том, что компенсирующий эффект чаще всего обусловлен различиями в аффинности. В нормальной ситуации с третьим белком связывается тот из паралогов, который лучше умеет это делать. Но если высокоаффинный паралог удалить, то второй паралог, избавившись от конкуренции со стороны более «умелого» партнера, начинает выполнять его работу.

Механизм зависимости, как выяснилось, чаще всего связан с тем, что два паралога объединяются в комплекс — гетеромер, причем один из паралогов стабилизирует другой и помогает ему выполнять его работу. Также оказалось, что удаление независимого паралога сильнее снижает приспособленность (скорость размножения) дрожжей, чем удаление зависимого паралога. Это естественно, ведь независимый паралог не только выполняет свои собственные функции, но и помогает партнеру. Дополнительные эксперименты на других парах паралогов у дрожжей, а также на культурах человеческих клеток показали, что зависимость одного паралога от другого действительно чаще всего встречается у паралогов, образующих гетеромеры, и это справедливо не только для дрожжей.

Обзор данных по белок-белковым взаимодействиям у разных эукариот показал, что паралоги, образующие гетеромеры — довольно частое явление. У разных видов от 6 до 27% всех пар паралогов образуют гетеромеры. Почему же белки, образовавшиеся из одного предкового белка в результате дупликации, объединяются друг с другом, образуя паралогичные гетеромеры?

По-видимому, частой причиной этого является дупликация белка, который исходно образовывал комплексы из двух или более одинаковых молекул — гомомеры. На это указывают результаты сравнения белков пекарских дрожжей с соответствующими белками Schizosaccharomyces pombe. Предки S. pombe не претерпевали полногеномной дупликации, и поэтому многие белки, представленные у пекарских дрожжей паралогичной парой, у S. pombe имеются в единственном экземпляре. Так вот, оказалось, что многим паралогичным парам белков пекарских дрожжей, образующим гетеромеры, соответствует единичный белок S. pombe, образующий гомомеры. Таким образом, типичный сценарий развития зависимости может быть следующим (рис. 4).

Рис. 4. Схема формирования зависимости одного паралога от другого после дупликации предкового белка, образующего гомомеры. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Предковый белок образует гомомеры — и в таком виде осуществляет взаимодействие с другими белками. После дупликации в одном из паралогов накапливаются мутации, мешающие ему образовывать гомомеры, но не мешающие связываться с другим паралогом, у которого, в свою очередь, могут закрепиться мутации, помогающие связываться с «подпорченным» партнером и поддерживать его функциональность. Эти мутации могут помешать второму паралогу образовывать гомомеры самому. Так появляются паралогичные гетеромеры, в которых один из партнеров не может функционировать без другого. В итоге получается, что после дупликации сложность молекулярной организации возрастает, хотя очевидной пользы организму это не приносит, а устойчивость межбелковых взаимодействий снижается.

Обзор имеющихся данных по белок-белковым взаимодействиям у человека и модельного растения резуховидки Таля показал, что обнаруженная тенденция — появление паралогов, образующих гетеромеры, в результате дупликации белков, образующих гомомеры, — по-видимому, является общим правилом.

Можно заметить, что данный механизм формирования зависимости одного паралога от другого очень похож на «бессмысленное усложнение», описанное в новости Конфликт между копиями удвоившегося гена ведет к избыточному усложнению генно-регуляторных сетей («Элементы», 10.10.2013). По-видимому, такое не приносящее пользы усложнение, обусловленное частичной разнонаправленной мутационной деградацией паралогов (в сочетании с компенсаторной «подгонкой» их друг к другу), является важной эволюционной закономерностью, которая, возможно, в какой-то степени объясняет прогрессирующий рост сложности организации в некоторых эволюционных линиях.

Авторы также обнаружили, что для зависимых паралогов характерно повышенное соотношение значимых нуклеотидных замен к незначимым (см. Ka/Ks ratio) по сравнению с независимыми паралогами. Вероятно, это означает, что наличие партнера-помощника, компенсирующего дефекты зависимого паралога, дает последнему дополнительную эволюционную свободу. В принципе это может способствовать приобретению зависимым паралогом новых функций. Таким образом, в отдаленной перспективе «бессмысленное усложнение» может, по крайней мере теоретически, открывать перед организмами некие новые эволюционные перспективы. Насколько часто эти возможности реализуются, покажут дальнейшие исследования.

Источник: Guillaume Diss, Isabelle Gagnon-Arsenault, Anne-Marie Dion-Coté, Hélène Vignaud, Diana I. Ascencio, Caroline M. Berger, Christian R. Landry. Gene duplication can impart fragility, not robustness, in the yeast protein interaction network // Science. 2017. V. 355. P. 630–634. DOI: 10.1126/science.aai7685.

См. также об эволюционной роли дупликации генов:
1) Прослежена эволюционная история одного из человеческих генов, «Элементы», 17.06.2008.
2) Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе, «Элементы», 18.06.2008.
3) Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных, «Элементы», 23.06.2008.
4) Многофункциональные гены — основа для эволюционных новшеств, «Элементы», 30.06.2008.
5) Удвоение генов может приводить к видообразованию, «Элементы», 04.02.2009.
6) В долгосрочном эксперименте зафиксировано поэтапное формирование эволюционного новшества, «Элементы», 25.09.2012.
7) Процесс появления новых ферментов прослежен в эволюционном эксперименте, «Элементы», 23.10.2012.
8) Своим сердцем позвоночные обязаны полногеномной дупликации, «Элементы», 17.06.2013.
9) Конфликт между копиями удвоившегося гена ведет к избыточному усложнению генно-регуляторных сетей, «Элементы», 10.10.2013.
10) Найден ген, превращающий простые листья в сложные, «Элементы», 18.02.2014.
11) Дупликация гомеобоксных генов могла быть одной из причин кембрийского взрыва, «Элементы», 13.02.2015.
12) У мечехвостов обнаружены свидетельства полногеномной дупликации, «Элементы», 27.11.2015.

Александр Марков