Последствия генных дупликаций удалось оценить количественно

Дупликация генов – один из главных способов появления новых признаков. Ранее на отдельных примерах было показано, что эволюционная судьба паралогов (копий удвоившегося гена) может складываться по‑разному. Паралог может приобрести новую функцию, сохранить старую или специализироваться на одном из аспектов старой функции, разделив сферы действия с другими паралогами. Все это по‑разному сказывается на таких важных характеристиках организма (и отдельных его подсистем), как сложность и помехоустойчивость. Канадские генетики попробовали количественно оценить эволюционные последствия 56 генных дупликаций, произошедших у предков пекарских дрожжей. Для этого они изучили влияние каждой дупликации 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 другой, сохранившийся. Однако в 19 других случаях утрата одного паралога не только не компенсировалась, но и нарушила 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 менее надежной (более чувствительной к помехам).

Удвоение генов – один из главных источников эволюционных новшеств, потому 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 исправно выполняющая эту функцию.

Чаще всего одна из копий удвоившегося гена (такие копии, как мы помним, называют паралогами) просто деградирует под грузом мутаций, выходит из строя или вовсе утрачивается. Но существует и ряд более интересных сценариев, таких как неофункционализация (появление у одного из паралогов новой функции; см. Исследование № 16) и субфункционализация (когда паралоги делят между собой разные аспекты исходной функции).

С одной стороны, если функции паралогов остаются отчасти перекрывающимися, дублирующими друг друга, это повышает помехоустойчивость. Мутация, слегка нарушающая работу одного из паралогов, скорее всего, не принесет большого вреда, ведь второй паралог его «подстраховывает». С другой стороны, такие мутации и отбраковываться отбором будут менее эффективно, так что в долгосрочной перспективе по мере накопления мутаций в одном из паралогов (или в обоих) степень дублирования уменьшится. В итоге может произойти субфункционализация.

Субфункционализация может сопровождаться «бессмысленным», не приносящим пользы усложнением (см. Исследование № 18) и снижением помехоустойчивости. Почему так происходит? Допустим, некая функция ранее успешно выполнялась одним белком. Но вот произошла дупликация – и вместо одного белка появились два одинаковых паралога. После этого мутации могут испортить один из аспектов функциональности первого паралога. Эти мутации не будут отбракованы отбором, поскольку данную работу нормально выполняет второй паралог. Но и 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 белками. Система станет сложнее, хотя никакой пользы организму это не принесет.

Таким образом, судьба паралогов может складываться по‑разному. Возможные сценарии теоретически просчитаны и проиллюстрированы отдельными изученными примерами. Логичный следующий шаг – количественная оценка вероятности (частоты реализации) этих сценариев.

Именно это и попытались сделать канадские биологи (Diss et al., 2017). Их крайне трудоемкое исследование было выполнено на пекарских дрожжах (Saccharomyces cerevisiae). Ученые выбрали для анализа 112 белков, составляющих 56 паралогичных пар и выполняющих широкий круг функций. По каждому из этих белков удалось получить данные о взаимодействиях с другими белками. В среднем каждый из 112 белков взаимодействует примерно с двумя десятками других, то есть в общей сложности рассматривалось более 2000 попарных белок‑белковых взаимодействий.

Для выявления белок‑белковых взаимодействий у дрожжей ранее был разработан хитроумный метод. Главная идея состоит в сборке какого‑нибудь необходимого клетке белка (обозначим его Х) из двух половинок. Ген белка X из клеток предварительно удаляют. Затем этот ген разрезают на две части и присоединяют их к генам двух других белков, А и Б, про которые нужно выяснить, взаимодействуют они друг с другом или нет. Если белки А и Б взаимодействуют, то они должны хотя бы иногда сближаться – и тогда присоединенные к ним половинки белка Х получают возможность свернуться в функциональную молекулу. Этот номер пройдет не со всяким белком, но все же многие белки способны выполнять свою работу, даже если их части не соединены ковалентными связями, а только сближены в пространстве. Итак, если дрожжи с разделенными таким образом половинками белка Х живут и размножаются, значит, белки А и Б взаимодействуют друг с другом. Более того, по скорости размножения клеток можно судить о силе белок‑белкового взаимодействия. При помощи этого метода исследователи выясняли, как наличие или отсутствие одного паралога влияет на белок‑белковые взаимодействия, осуществляемые вторым. Здесь возможны три ситуации (рис. 17.1):

1) Отсутствие влияния. Это значит, что взаимодействие данного паралога 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 сильно нарушить, потребуется повреждение (например, мутационное) сразу обоих паралогов.

рис. 17.1. Изменение сети белок‑белковых взаимодействий при дупликации генов (вверху) и при удалении одного из паралогов (внизу). Темно‑серые и светло‑серые кружки – паралоги, возникшие в результате дупликации гена, кодирующего исходный белок (темно‑серый). Черные кружки – белки, с которыми взаимодействует исходный белок и его потомки, паралоги. Сразу после дупликации функции паралогов идентичны. Затем они начинают накапливать функциональные различия (происходит дивергенция). При этом могут приобретаться новые взаимодействия и утрачиваться старые. В итоге складывается новая сеть белок‑белковых взаимодействий, например такая, как слева внизу. Степень устойчивости этой сети может быть оценена в экспериментах по удалению одного из паралогов (здесь светло‑серого). В случае «компенсации» сохранившийся паралог берет на себя функции утраченного, что проявляется в усилении белок‑белковых взаимодействий. Получается, генная дупликация повысила устойчивость системы. В случае «зависимости» сохранившийся паралог не только не берет на себя чужие функции, но и частично утрачивает собственные. Стало быть, генная дупликация сделала систему более хрупкой (поскольку до дупликации для данного белок‑белкового взаимодействия достаточно было двух исправных белков, а теперь требуются три, причем поломка любого из них может нарушить взаимодействие). По рисунку из Diss et al., 2017.

3) Зависимость. 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.

В ходе экспериментов выяснилось, что компенсация и зависимость возникают примерно с одинаковой частотой. Компенсация была обнаружена в 22 парах паралогов (из 56) и затрагивала в общей сложности 91 белок‑белковую связь (из примерно 2000 рассмотренных). Зависимость оказалась характерна для 19 пар паралогов и затрагивала 137 белок‑белковых взаимодействий. При этом компенсация и зависимость редко встречались вместе у одной и той же пары паралогов.

Ученые также заметили, что взаимное влияние паралогов в большинстве случаев асимметрично, то есть только один из двух способен компенсировать утрату другого (19 случаев из 22) или 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. Дополнительные эксперименты показали, 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, избавившись от конкуренции со стороны более «умелого» партнера, начинает выполнять его работу.

А механизм зависимости, как выяснилось, преимущественно связан с тем, что два паралога объединяются в комплекс – гетеромер, причем один из паралогов стабилизирует другой и помогает ему выполнять его работу. 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 в случае образования гетеромеров.

Анализ данных по белок‑белковым взаимодействиям у разных эукариот продемонстрировал, что паралоги, объединяющиеся в гетеромеры, – довольно частое явление. У разных видов эукариот от 6 до 27 % всех пар паралогов образуют гетеромеры. Почему же белки, возникшие из одного предкового белка в результате генной дупликации, объединяются друг с другом, образуя гетеромеры? По‑видимому, часто это происходит оттого, что удваивается белок, уже исходно образовывавший комплексы из двух одинаковых белковых молекул – гомомеры. Типичный сценарий развития зависимости может быть следующим.

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 второго паралога в этом случае могут закрепиться мутации, помогающие связываться с «подпорченным» партнером. Так появляются гетеромеры – комплексы из двух различающихся паралогов, один из которых (а иногда и оба) уже не способен образовывать гомомеры. Гетеромер взаимодействует с другими белками так же, как это делал раньше гомомер исходного, еще не удвоившегося белка. В итоге получается, что после дупликации сложность молекулярной организации возрастает (то, что раньше делали белковые молекулы одного типа, теперь делают совместными усилиями белковые молекулы двух разных типов), хотя очевидной пользы организму это не приносит, а помехоустойчивость межбелковых взаимодействий снижается.

Данный механизм формирования зависимости одного паралога от другого очень похож на «бессмысленное усложнение» (см. Исследование № 18). По‑видимому, такое не приносящее пользы усложнение, обусловленное разнонаправленной мутационной деградацией паралогов с последующей компенсаторной «подгонкой» их друг к другу, является важной эволюционной закономерностью, которая, возможно, в какой‑то степени объясняет прогрессирующий рост сложности в некоторых эволюционных линиях.

Не исключено, 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 открывать перед организмами новые эволюционные горизонты. Насколько часто эти возможности реализуются, покажут дальнейшие исследования.

Исследование № 18