Александр Марков - Перспективы отбора. От зеленых пеночек и бессмысленного усложнения до голых землекопов и мутирующего человечества

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 .