Konflik antara salinan gen berganda membawa kepada komplikasi yang berlebihan rangkaian pengawalan gen • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Biologi, Genetik

Konflik antara salinan gen berganda membawa kepada komplikasi yang berlebihan rangkaian pengawalseliaan gen.

Rajah. 1. Skim peraturan gen metabolisme Arginine (skim pengawalan gen metabolisme)Gen Arg) dan gen yang dikaitkan dengan pembiakan seksual (α genragi Kluyveromyces lactis dan Saccharomyces cerevisiae. Kompleks pengawal selia protein dilampirkan kepada kawasan pengawalseliaan DNA (Tapak ARG, tapak khusus α) berhampiran gen dikawal. Mempunyai K. lactis Kedua-dua kumpulan gen (ARG dan α) dikawal oleh kompleks dua molekul protein Mcm1 (homodimer). Mempunyai S. cerevisae Gen α dikawal oleh homodimer yang sama, dan untuk pengawalan gen ARG, heterodimer yang terdiri daripada Mcm1 dan protein pengawalan tambahan Arg80, yang tidak hadir dalam K. lactis. Gen Arg80 muncul dalam nenek moyang S. cerevisae akibat daripada pertindihan gen asli Mcm1 dan pemisahan fungsi seterusnya. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Eksperimen kejuruteraan genetik yang rumit yang berkaitan dengan penciptaan semula protein "nenek moyang" yang lama yang hilang membolehkan ahli biologi Amerika menguraikan urutan peristiwa yang mengakibatkan sistem peraturan gen yang lebih rumit dalam nenek moyang ragi baker. Penggandaan gen dibenarkan dua salinan protein kawal selia pelbagai fungsi Mcm1 untuk mengumpul mutasi, yang mengakibatkan kehilangan fungsi sebahagiannya. Fungsi yang hilang oleh setiap salinan adalah berbeza,terima kasih kepada salinan yang tidak lagi berlebihan: sekarang kedua-dua protein, yang berbeza rosak oleh mutasi, telah menjadi penting untuk tubuh. Pengkhususan selanjutnya kedua-dua protein didorong oleh hakikat bahawa pada mulanya mereka bersaing, menjadikannya sukar bagi satu sama lain untuk bekerja. Meminimumkan persaingan memerlukan mutasi tambahan untuk diperbaiki. Akibatnya, sistem pengawalan gen menjadi lebih rumit (pengawal selia protein baru muncul), walaupun nampaknya tidak ada keperluan awal untuk ini. Komplikasi telah menjadi kesan sampingan rantaian peristiwa saling bergantung, yang dimulakan oleh duplikasi rawak gen. Mungkin pertandingan salinan gen berganda adalah mekanisme penting yang membataskan dan membimbing proses pembentukan inovasi evolusi.

Penggandaan (dua kali ganda) gen dengan pembahagian fungsi seterusnya antara salinan adalah salah satu laluan utama untuk kemunculan inovasi evolusi (lihat pautan di bawah). Satu kajian baru oleh ahli biologi dari University of California di San Francisco menyampaikan dua aspek penting dalam proses ini.

Pertama, ia menunjukkan bahawa duplikasi gen secara semata-mata secara automatik, melalui satu siri langkah perantaraan yang saling bergantung, membawa kepada komplikasi rangkaian pengawalseliaan gen.Ini berlaku walaupun tiada keperluan yang jelas untuk komplikasi seperti itu dan tubuh dapat terus melakukan hal yang sama dengan sistem gen pengawalan dan leluhur yang lebih mudah.

Kedua, kerja menunjukkan bahawa salinan gen berganda (paralog) tidak selalu berfungsi dengan mudah dan cepat, terutamanya jika gen dimasukkan dalam rangkaian interaksi antara intermolecular yang rumit. Dalam kes ini, salinan, yang hampir tidak bermula untuk membahagikan fungsi, mula bersaing untuk substrat dan mengganggu kerja masing-masing. Untuk menghapuskan persaingan ini, mutasi tambahan diperlukan, yang menyumbang kepada transformasi akhir paralogs menjadi dua protein khusus dengan pembahagian tanggungjawab yang ketat.

Para penulis mengkaji kesan duplikasi gen. Mcm1 dalam ragi. Gen ini dalam semua kulat. Ia menyusun protein pengawalseliaan penting (faktor transkripsi), yang, menggabungkan kompleks dengan protein pengawalseliaan lain (cofactors), melekat pada DNA untuk mengaktifkan gen yang berdekatan (Rajah 1).

Dalam beberapa jenis yis (contohnya, dalam Kluyveromyces lactisa) Gen metabolisme arginine (ARG) dikawal oleh kompleks dua molekul protein Mcm1 (kompleks tersebut dipanggil homodimer), yang seterusnya mengikat kepada cofactor Arg81 (Rajah 1A). Ragi Baker Saccharomyces cerevisiae dan saudara terdekat mereka, kompleks protein yang mengawal kerja gen ARG, lebih kompleks. Ia termasuk tidak dua, tetapi tiga protein berbeza. Daripada homodimer dua molekul Mcm1, yis Baker menggunakan heterodimer – molekul Amerika protein Mcm1 dan Arg80 (Rajah 1, B).

Satu lagi kumpulan gen (α-gen yang bertanggungjawab untuk "ciri-ciri seksual" ragi yang termasuk jenis jalinan α, lihat Penentuan jenis jalinan dalam ragi) adalah sama untuk semua ragi: menggunakan homodim Mcm1 dalam kombinasi dengan cofactor Matα1 (Rajah 1, C, D).

Oleh itu, S. cerevisae α-gen (dan banyak gen lain yang dikawal oleh Mcm1) dikawal dengan cara yang sama seperti dalam ragi lain, manakala ARG-gen dikawal dengan cara yang lebih kompleks, dengan penyertaan protein tambahan Arg80, yang tidak mempunyai ragi lain. Para penulis berusaha memahami sebab-sebab perbezaan ini.

Analisis genom mendedahkan bahawa Arg80 diperoleh daripada Mcm1 sebagai hasil daripada pertindihan gen. Keturunan S. cerevisae Gen yang asal yang mengkodekan protein Mcm1 telah meningkat dua kali ganda. Selepas itu, dalam masing-masing dua salinan menggantikan pelbagai penggantian asid amino. Salah satu salinan (Mcm1 dari yis Baker) mengekalkan sebahagian besar fungsi pengawalseliaan asal, manakala yang lain (Arg80) berubah lebih banyak dan khusus dalam mengawal gen ARG.

Penulis membina pokok evolusi Mcm1 / Arg80 protein dan membina semula urutan asam amino dari tiga protein leluhur yang menduduki kedudukan utama pada pokok (Gambar 2).

Rajah. 2 Pokok protein evolusi Mcm1 / Arg80. Kalangan menunjukkan kedudukan tiga protein nenek moyang semula. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Yang pertama dari protein "dibangkitkan" dipanggil AncMADS. Di sini "Anc" berasal dari perkataan "leluhur" (leluhur), MADS (lihat MADS-box) – nama kumpulan protein pengawalseliaan yang luas, yang termasuk protein yang sedang dipertimbangkan. AncMADS adalah sejenis protein yang gen yang ditiru oleh nenek moyang bakterya (dan saudara terdekat mereka). Protein yang direkonstruksikan kedua, AncMcm1, adalah versi asal protein Mcm1 yis Baker dan saudara-maranya, iaitu, satu daripada dua paralog yang dibentuk selepas pertindihan dan pemisahan fungsi. Akhir sekali, AncArg80 adalah versi awal dari paralogue kedua, protein Arg80.

Penulis mensintesis gen-gen protein nenek moyang yang telah direkabentuk dan memperkenalkannya ke dalam sel-sel bakteri Baker, tanpa protein mereka sendiri Mcm1 dan Arg80. Kehilangan Mcm1 adalah fatal kepada yis dalam apa jua keadaan, dan tanpa Arg80, mereka mengganggu metabolisme arginin, yang menjadi kritikal dalam persekitaran di mana arginin (atau pendahulunya ornithine) adalah satu-satunya sumber nitrogen.

Ternyata versi pre-duplikasi protein leluhur (AncMADS) mengatasi kerja-kerja kedua-dua protein moden (Mcm1 dan Arg80). Ragi, kekurangan satu atau kedua-dua protein ini, hidup dan membiak secara normal jika gen protein AncMADS dimasukkan ke dalam genom mereka. AncMcm1 protein leluhur berjaya menggantikan Mcm1 moden, tetapi tidak dapat mengimbangi kehilangan Arg80. Oleh itu, protein leluhur AncArg80 mengimbangi kehilangan Arg80, tetapi tidak menjimatkan yis, tanpa Mcm1.

Keputusan ini, dalam kombinasi dengan data eksperimen lain, menunjukkan bahawa tidak lama selepas duplikasi, dua salinan gen AncMADS asal yang terkumpul mutasi yang mengakibatkan kehilangan sebahagian fungsi. Salah satu daripada paralogs (AncMcm1) telah kehilangan keupayaan untuk berhubung dengan cofactor Arg81, dan yang lain (AncArg80) telah lupa bagaimana untuk berkomunikasi dengan cofactor Matα1 (Rajah 3).

Rajah. 3 Kehilangan sebahagian daripada fungsi oleh paralogs selepas pertindihan. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Penulis berjaya mencari penggantian asid amino tertentu yang mengubah struktur "saku mengikat cofactor" molekul protein, yang mengakibatkan kehilangan fungsionalitas separa. AncMcm1 kehilangan keupayaan untuk berinteraksi dengan Arg81 kerana satu penggantian, yang diwarisi oleh semua variasi protein yis Mcm1 "post-duplikasi" semasa.AncArg80 kehilangan keupayaan untuk berinteraksi dengan Matα1 kerana tiga penggantian asid amino lain (yang juga dipelihara dalam keturunan moden protein ini).

Keputusan menunjukkan bahawa pembahagian fungsi antara paralogs adalah berdasarkan "subfungsionalisasi" yang dipanggil, iaitu, kehilangan separa aspek yang berlainan dari fungsi asal oleh dua salinan gen berganda. Banyak ahli teori sebelum ini menganggap senario pemisahan fungsi seperti yang paling mungkin.

Selepas pertindihan gen, mutasi yang melanggar kefungsian salah satu salinan berhenti berbahaya dan tidak disaring oleh pemilihan – setelah semua, terdapat salinan kedua yang berjaya mengatasi kerja yang tidak dapat dilakukan salinan pertama. Selepas salah satu salinan telah kehilangan beberapa fungsi, pemilihan itu tidak akan lagi membenarkan kehilangan fungsi yang sama dengan salinan kedua. Walau bagaimanapun, itu tidak menghalang salinan kedua daripada kehilangan apa-apa fungsi lain yang masih dipelihara dalam salinan pertama. Sekiranya ini berlaku, salinan tidak lagi menjadi "berlebihan." Kini, tiada seorang pun daripada mereka yang boleh hilang tanpa kemerosotan mendadak dalam kecergasan (dan oleh sebab itu, pemilihan tidak akan membolehkan mereka tersesat).Hasilnya, bukannya satu "tidak boleh dibaca", protein pelbagai fungsi, badan menerima dua yang khusus.

Perkara yang paling menarik adalah bahawa komplikasi organisasi molekul ini tidak semestinya "berguna", iaitu, meningkatkan kecergasan organisma. Adalah mungkin bahawa selepas pertindihan dan pemisahan fungsi, badan akan berasa tidak lebih baik daripada sebelum peristiwa ini. Sebagai contoh, dalam eksperimen yang digambarkan, ragi, di mana protein Mcm1 dan Arg80 digantikan oleh AncMADS nenek moyang, tidak bertambah buruk daripada biasa. Dalam jangka panjang, pertindihan dan subfungsionalisasi dapat membuka kemungkinan evolusi baru, kerana dua salinan gen asal (dan fungsi mereka) kini boleh berkembang lebih atau kurang secara bebas. Tetapi pemilihan semulajadi tidak mengetahui apa-apa tentang prospek yang jauh, ia hanya memberi tumpuan kepada "di sini dan sekarang." Komplikasi organisasi molekular dalam senario ini tidak lebih daripada satu sisi (walaupun logik) hasil penggandaan gen tidak sengaja.

Tidak berhenti di sana, para penulis memutuskan untuk menguji hipotesis bahawa selepas duplikasi protein pelbagai fungsi, seperti AncMADS, yang terlibat dalam rangkaian interaksi kompleks dengan protein lain, paralog yang terhasil dapat bertentangan dan mengganggu satu sama lain.Sebagai contoh, paralog AncArg80 yang baru terbentuk, setelah melupakan bagaimana untuk berinteraksi dengan cofactor Matα1, boleh "tersilap" menyertai rantau pengawalseliaan α-gen, mengambil tempat di DNA di mana paralog lain harus dilampirkan, AncMcm1. Akibatnya, peraturan α-gen akan dilanggar. Sekiranya konflik antara paralogs benar-benar wujud pada satu masa, maka pada masa akan datang, pemilihan itu mestilah disokong dan diperkukuhkan mutasi yang mengurangkan keparahannya.

Untuk mencari mutasi tersebut, penulis memperhatikan bahagian molekul AncArg80 yang bertanggungjawab untuk melampirkan protein ke DNA. Lima penggantian asid amino telah dijumpai di sini yang menjadikan ikatan antara protein dan DNA kurang tahan lama. Mungkin terima kasih kepada penggantian ini bahawa protein AncMcm1 dan keturunannya, yang mengekalkan keupayaan untuk berpaut erat dengan DNA, dan mengatasi Arg80 dalam pertandingan untuk hak untuk menyertai rantau pengawalseliaan α-gene? Untuk menguji hipotesis yang berani ini, penulis membina versi AncArg80, tanpa lima substitusi di dalam rantau DNA-mengikat. Gen untuk protein ini diperkenalkan ke dalam genom ragi bukannya gen yang dikeluarkan dari sana. Arg80. Hasilnya mengesahkan jangkaan penyelidik: dalam yis diubah suai, peraturan gen α-benar-benar terganggu.Apabila mutasi lima telah diletakkan semula, gen-gen mula berfungsi semula sekali lagi.

Akibatnya, makna penyesuaian lima penggantian, yang melemahkan hubungan antara Arg80 dan DNA, kemungkinan besar adalah untuk melancarkan konflik antara paralog. Terima kasih kepada penggantian ini, Arg80 tidak masuk ke dalam perniagaannya sendiri dan tidak mengganggu satu lagi paralog, Mcm1, untuk mengawal kerja gen α. Boleh dikatakan bahawa menyatukan lima penggantian ini akhirnya menjadikan salinan AncMADS dua kali ganda menjadi dua protein yang berlainan. Menerima formulasi seperti ini, kita boleh bersetuju dengan penulis yang percaya bahawa dalam kes ini konflik antara paralogs menyumbang kepada komplikasi sistem peraturan gen (komplikasi, kita ingat, gen ARG, yang sebelum ini dikawal oleh dua pengawal selia protein, kini dikawal tiga).

Di samping itu, kelemahan ikatan Arg80 dengan DNA menerangkan mengapa gen ARG dikawal oleh heterodimer Mcm1 + Arg80, dan bukan oleh homodimer Arg80 + Arg80. Ada kemungkinan bahawa protein Mcm1 hanya membantu Arg80 untuk menahan DNA (di kawasan pengawalseliaan gen ARG). Apa yang menghalang homodim Mcm1 + Mcm1 daripada menyertai laman-laman ini, bersaing dengan heterodimer dan mengganggu kerja ARG-gen, masih tidak jelas.

Menurut penulis, konflik antara paralogs dapat menjadi faktor evolusi penting yang membatasi dan membimbing proses pembentukan inovasi evolusi oleh pertindihan gen.

Sumber: Christopher R. Baker, Victor Hanson-Smith, Alexander D. Johnson. Selepas Duplication Gene, Gangguan Paralog Mengatasi Evolusi Litar Transkrip // Sains. 2013. V. 342. P. 104-108.

Lihat juga peranan evolusi duplikasi gen:
1) Gen pelbagai fungsi – asas untuk inovasi evolusi, "Unsur", 06/30/2008.
2) Dalam eksperimen jangka panjang, pembentukan secara beransur-ansur suatu inovasi evolusi, "Unsur", telah dirakamkan pada 25 September 2012.
3) Proses kemunculan enzim baru dikesan dalam eksperimen evolusi, "Elemen", 10.23.2012.
4) Penggandaan gen boleh membawa kepada spesiasi, "Elemen", 04.02.2009.
5) Sejarah evolusi salah satu gen manusia dikesan, "Unsur", 06/17/2008.
6) Genom lancelet membantu mengungkap rahsia kejayaan evolusi vertebrata, Elemen, 23 Jun 2008.
7) Penglihatan dan penglihatan warna dalam evolusi mamalia yang dibangunkan dalam antiphase, "Unsur", 06/18/2008.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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