Лекция 16

Перепрофилирование ЦР открывает возможность эволюционной перестройки сформировавшихся структур. Перепрофилирование весьма распространено в ГС раннего и позднего эмбриогенеза, т. е. в сетях, начавших дивергировать очень рано либо недавно. Например, ГС ранних этапов становления антериопостериорной оси тела варьируют по компонентам и связям между ними у разных Bilateria. У D. melanogaster эта ГС эволюционно молода (~60 млн лет). Так, ген материнского эффекта bed возник как дупликация гена геи и приобрел современную функцию только у предков высших двукрылых. Паттерн экспрессии gap-гена hb, определяемый независимо материнской антериорной (bed) и постериорной (nos) системами генов, консервативен лишь у насекомых. У нематод и аннелид hb экспрессируется только в нервной системе.

⑤ Перепрофилирование генов

· Переносится сайт связывания на другой

Замечательный пример перепрофилирования генов в позднем эмбриогенезе демонстрируют нематоды. У разошедшихся не более 200 млн лет назад родов Caenorhabditis и Pristionchus ген lin-39 контролирует образование вульвы, активируя совершенно разные генные сети. Одна и та же мутация lin-39 у Caenorhabditis ведет к слиянию клеток вульвы ( внешние половые органы у самок ) с гиподермальным синцитием, а у Pristionchus к апоптозу клеток вульвы. В обоих случаях формируется один и тот же безвульварный фенотип.

· За счёт дупликаций гена, с последующей сменой функции одного из них

Ведёт к усложнению и увеличению размера генома. У про и эукариот разный размер.

2 момента:

1) Размер должен быть такой, чтоб помещался в клетку (в ядро у эукариот)

2) От размера зависит частота мутирования. Мутационный процесс происходит с определенной вероятностью, которая для прокариот составляет 10^-8, 10^-9 на 1 ген на клетку за поколение. Для эукариот – 10^-4, 10^-5.

Пожалуй наиболее универсальным способом роста сложности является полимеризация, широко распространенная как у про- так и у эукариот. Сюда можно отнести повторение функциональных сайтов в ДНК и в белках, дубликацию стартов транскрипции (в том числе и в нитронах) и возникновение повторов протяженных районов геномной ДНК со многими генами, а также изменение функций геномов, возникающее на базе тандемных повторов. Их влияние на функции генов проявляется при изменении числа копий в кластере. Изменение числа повторов в кластерах – наиболее частый тип геномного полиморфизма.

Пространственный и временной паттерны экспрессии генов, находящиеся под влиянием

повторов, могут изменяться после изменения копийности повторов. В этом случае поиск оптимальных вариантов модуляторов осуществляется гораздо быстрее, чем при точечных мутациях. Изменение геномов может происходить за счет диспергированных повторов и мобильных генетических элементов, перемещение которых в различные районы геномов может приводить к изменению экспрессии близкорасположенных генов.

Согласно теории С. Оно, дупликация нуклеотидных последовательностей ДНК с дивергенцией одной из копий может обеспечить появление качественно новых свойств у гена или генной сети. Теория С. Оно подтверждена многочисленными исследованиями.

Являясь эффективным способом усложнения, полимеризация требует больших размеров генома. Любая популяция имеет верхнюю границу темпов мутирования, превышение которой ведет к гибели. Гаплоидные популяции достигают ее, когда за один цикл репликации возникает как минимум одна леталь на геном. При постоянной частоте мутаций вероятность возникновения летали увеличивается с размером генома, которая поэтому должна быть ограничена сверху.

Сравнение реальных и теоретически предельных размеров генома бактерий показало, что они близки к предельным, а это должно ограничивать (запреты) возможности полимеризации. Преодоление данного запрета путем появления полирепликонной системы копирования и совершенствования механизмов компактизации генома стало главным эволюционным достижением, обеспечившим появление диплоидных геномов эукариот, геном которых мог увеличиваться до 10¹² п.н., что позволило эукариотам в ходе эволюции освоить эндосимбиоз, многоклеточную и многотканевую организацию. В результате дупликаций генов и геномов эукариот, рост числа различных вариантов транскрипции генов может быть связан с широким распространением кластеров изофункциональных генов. Такие кластеры содержат гомологичные гены с частично различающейся структурой и функцией. Экспрессия генов, входящих в состав кластеров, осуществляется в зависимости от стадии индивидуального развития, функционального состояния организма и т. п.

Порядок и интенсивность экспрессии генов может определяться специальным классом регуляторных элементов иерархически высокого (надгенного) уровня – LCR (локусконтролирующими районами). Каждый LCR образован специфической группой последовательностей и располагается иногда на очень большом (до десятков тысяч пар нуклеотидов) расстоянии от контролируемой кассеты генов. Возможно, LCR могут в некоторых случаях играть роль границ между форум-доменами хромосом, так как ассоциированы с гиперчувствительными сайтами ДНКаз. В таком случае это еще один интересный случай взаимодействия генетической и эпигенетической регуляции.

Существенное затруднение для теории С. Оно – нейтрализация мутаций в одной из копий дуплицированного гена. Ведь лишь один паралог сохраняет исходную функцию, а значит, находится под действием стабилизирующего отбора. Второй паралог может попасть под действие движущего отбора только после приобретения новой функции. До этого момента он способен накопить множество мутаций в нейтральном режиме, а значит, высока вероятность его вырождения в псевдоген. Частые рекомбинации между паралогами (молекулярный драйв), генная конверсия либо тесная ассоциация паралогов, предотвращая псевдогенизацию, затрудняют приобретение новой функции.

Например, у растений есть гены APL, CAL и FUL гомологичны друг другу, что говорит об их происхождении в ходе дупликаций. Образуя мультимер, их продукты регулируют экспрессию гена LFY – одного из важнейших ЦР ГС развития цветка, интегрирующего, в частности, ГС формирования лепестков, чашелистиков, плодолистиков и тычинок. Субъединицы мультимера взаимозаменяемы без особой потери функции. Поэтому мутации в гене APL не влияют на экспрессию гена LFY, но она существенно меняется при двойной мутации APL и CAL. Мутации гена APL ведут к частичной стерильности соцветия. Одиночные мутации FUL или CAL вообще никак не влияют на цветение. Тем не менее растение еще может цвести. Лишь тройной мутант APL, CAL, FUL не цветет, и экспрессия LFY в нем сильно изменена. Налицо не запуск, а, наоборот, торможение эволюции.

Консервативная роль подобных дупликаций, защищающих ГС морфогенеза от мутаций ЦР, разрушительный эффект которых демонстрируют гомеозисные мутации, ярко показан в эксперименте с трансгенезом цветущих на 6–20-м году жизни цитрусовых с геном APL 132 (ввели в Арабидопсис) под конститутивным промотором. Трансгенез вызвал цветение на первом году без аномалий морфологии. Наличие резервных регуляторов для гена LFY делает достаточно слабым морфогенетический эффект отдельных мутаций. А вот высокая гомология приводит к высокой эффективности трансгенеза, при котором высоко экспрессирующийся мономер может в дополнение к гетеромерным белковым комплексам формировать гомомерные белковые комплексы. Таким образом, эволюционное изменение произошло, но вследствие нарушения динамики онтогенеза, а не вследствие смены функций паралогов. Продолжая функционировать, генные сети морфогенеза сохранили жизнеспособность и фертильность мутанта. Цветение древесных форм цветковых на стадии проростка, породившее травы, могло быть следствием подобных мутаций.

Другой пример защитной роли полимеризации – регуляторный домен Ubx ракообразных с множеством сайтов фосфорилирования. По-видимому, их число в ходе эволюции менялось не сразу, вызывая постепенную смену морфологии, предотвращая появление «монстров», чья перспективность для эволюции должна была, по опыту гомеозисных мутаций, резко уменьшаться из-за низкой жизнеспособности и фертильности.

Псевдогенизацию может предотвратить лишь функциональная нагрузка обоих паралогов, что возможно при разнесении экспрессии паралогов во времени (экспрессия на разных стадиях развития) и в пространстве (экспрессия в разных органах и тканях). Это часто наблюдается в ГС морфогенеза.

Так, смена тканеспецифичности в эволюции изучена у кукурузы: ген pi, экспрессирующийся в перикарпе зерна, стержне початка, нижних цветковых чешуях метелки и в шелке (столбики початка кукурузы), и ген р2, экспрессирующийся в шелке и пыльниках, являются потомками гена, дуплицированного 2, 75 млн лет назад.

Другой хорошо изученный пример – кластеры изофункциональных генов. У многоклеточных с их обилием тканей и большими размерами гораздо больше шансов разнести экспрессию паралогов во времени и пространстве: лишь 8 % генов у дрожжей остаются дуплицированными, остальные 92 % возвращаются к состоянию одной копии, а у позвоночных в среднем остаются дуплицированными 50 % генов. Разнесение во времени и пространстве возможно за счет любого из трех вышеупомянутых типов мутаций, меняющих работу ГС.

Т.о. только такие мутации, причем возникшие быстро вслед за образованием паралогов, могут провоцировать прогрессивную эволюцию путем смены функций, по С. Оно.

Четвертый тип – перепрофилирование ЦР. Специфическим перепрофилированием может быть превращение паралога в ген-регулятор, контролирующий второй паралог (например, при считывании киРНК с псевдогена). Тест на нейтральность эволюции демонстрирует существенное отклонение режима эволюции некоторых «псевдогенов» от нейтрального, свидетельствуя об их функциональной нагрузке. Изучение транскриптомов позволил выявить минорные фракции нормально сплайсированных транскриптов последовательностей, считавшихся псевдогенами. Тем не менее до сих пор наиболее изученными примерами роли псевдогенов в эволюции служат комплексы типа гена vlhA с его псевдогенами у Mycoplasma synoviae. Рекомбинация и генная конверсия в нем обеспечивают повышенную изменчивость антигенов поверхностных белков, уводя паразита от иммунного ответа. Хотя в данном случае повышение биоразнообразия налицо, о прогрессивной эволюции говорить

трудно, скорее это эволюционное «топтание на месте».

(этого не было, но решила вставить!)

Значительная роль эпигенетических механизмов в регуляции тканеспецифичной, онтогенез-специфичной и даже родитель-специфичной экспрессии позволила предположить ее важную роль в предотвращении псевдогенизации паралогов, а следовательно, и в прогрессивной эволюции. Даже простое изменение расположения генов в форум-домене в результате дупликации может привести к различной эпигенетической разметке обоих паралогов. Другим механизмом различения эпигенетической регуляции может служить изменение расположения паралогов относительно каких-либо регуляторных участков. Учитывая, что эпигенетическая разметка в отличие от генетической регуляции может стираться под влиянием среды (например, холодовый импринтинг), а точность восстановления ее не стопроцентна (за исключением, пожалуй, морфофункциональной спецификации сегментов в онтогенезе), можно предположить, что аномально частые изменения внешней среды, тохастически меняя разметку паралогов, могут спровоцировать их различную регуляцию. Изученным аналогом такого эволюционного сценария могут служить, например, стохастические нарушения импринтинга, приводящие к аномалиям развития, но не передающимся по наследству.

Важно отметить, что различие в эпигенетической регуляции само по себе не ведет к эволюции паралогов. Их дивергенция – всецело следствие накопленных в них мутаций. Различная эпигенетическая регуляция лишь нарушает нейтрализацию таких мутаций, время от времени вводя их в сферу отбора. Такая концепция согласуется также с ранее высказанной

идеей об эволюционной роли фенотипической супрессии, вызванной прионизацией.