Atklājumi.lv

Olbaltumvielu fragmentu pārkombinēšanās – ātrs veids, kā radīt jaunas pazīmes

Lielākā daļa olbaltumvielu molekulu sastāv no vairākiem funkcionāliem blokiem (domēniem). Izmantojot rauga nūjiņu dzimumuzvedību regulējošās signālkaskādes piemēru, amerikāņu biologi parādīja, ka bloku rekombinācija ir efektīvs veids, kā radīt jaunas pazīmes. Piemēram, izdevās iegūt rauga nūjiņas, kurām, salīdzinājumā ar "savvaļas" tipu, trīskārt pieauga pārošanās uzvedības efektivitāte (sapārošanās varbūtība). Pētījumi parādīja, ka olbaltumvielu domēnu sajaukšanās var būt svarīgs evolucionāro jauninājumu parādīšanās mehānisms paralēli gēnu duplikācijai un DNS regulatoro segmentu izmaiņām.

Daudzas olbaltumvielas, kas piedalās signālu pārraidē, satur divu tipu domēnus - regulatoros un katalītiskos. Pirmie reaģē uz ienākošajiem fragmentiem un nosaka apstākļus, kādos "nostrādās" olbaltumviela-raidītājs. Otrie pārraida signālu nākošajam kaskādes loceklim (piemēram, pievieno fosfātgrupu citai olbaltumvielai, izraisot tās aktivāciju). Katra tāda olbaltumviela darbojas kā nosacījuma operators "ja... tad...", turklāt regulatorais domēns atbild par "ja", bet katalītiskais - par "tad".

Zinātnieki sen pieņēma, ka olbaltumvielu molekulu fragmentu rekombinācija (sajaukšana) var būt svarīgs evolucionāro jauninājumu avots (sk. V.A.Ratners, 1993. Внешние и внутренние факторы и ограничения молекулярной эволюции). Molekulārbiologi no Kalifornijas universitātes Sanfrancisko eksperimentāli apstiprināja šo pieņēmumu, izmantojot par piemēru labi izpētītu signālkaskādi, kas regulē rauga nūjiņu dzimumuzvedību.

Rauga nūjiņas iedala divos "dzimumos": a un b. Eksperimenti tikai veikti ar dzimumu a. Par pārošanās signālu tām kalpo alfa-faktors - feromons, ko izdala dzimums b (1. zīm.). Feromons mijiedarbojas ar receptoru Ste2, kas atrodas uz a šūnas virsmas. Rezultātā izjūk trīs olbaltumvielu komplekss, kas piestiprināts receptoram no membrānas iekšējās puses. Atbrīvotā olbaltumviela Ste4 mijiedarbojas ar olbaltumvielu Ste5, kā rezultātā Ste5 ar tam piestiprinātām MAP-kināzēm Ste11, Ste7 un Fus3 tiek transportēta uz šūnas membrānu. Šeit ar olbaltumvielas Ste50 starpniecību tiek izveidota saikne starp Ste11 un Cdc42. Pēdējā olbaltumviela ietilpst kompleksā no trim olbaltumvielam, viena no kurām - kināze Ste20 - aktivizē olbaltumvielu Ste11, pievienojot tai fosfātgrupu. Ste11 savukārt fosforizē kināzi Ste8, bet tā tādā pašā veidā aktivizē kināzi Fus3. Aktivizētā olbaltumviela Fus3 dodas uz kodolu, kur tā aktivizē vairākus transkripcijas faktorus (olbaltumvielas, kas regulē gēnu aktivitāti). Šie transkripcijas faktori ietver gēnu kompleksu, kas nepieciešami, lai pārotos. Šūnā tiek apturēti ar augšanu un dalīšanos saistītie procesi, mainās šūnas morfoloģija, kā rezultātā a šūna saplūst ar savu dzimumpartneri - b šūnu.

Eksperimentus veica ar 11 olbaltumvielām, kuras 1. zīm. apzīmētas ar pelēkiem ovāliem. Sešas no tām satur divus vai vairāk domēnus. Katru daudzdomēnu olbaltumvielu (precīzāk, to kodējošo gēnu), kā parādīts 2. zīm., sadalīja divās daļās. Fragmentus nejaušā veidā pārkombinēja, un rezultātā tikai iegūti 66 jaunu olbaltumvielu gēni.

Šos gēnu pēc tam pa vienam ievietoja rauga nūjiņās. Turklāt "savvaļas" signālkaskādi atstāja neizmainītu, pievienojot tai jaunus potenciālos dalībniekus. Visi mākslīgie gēni tika savienoti ar vienādu regulatoro segmentu (promoteru), kas nodrošināja vienādu (ne pārāk augstu) ievietoto gēnu aktivitātes līmeni.

Tad pētnieki aplūkoja signālkaskādes darbības efektivitāti 66 ģenētiski modificētajiem rauga nūjiņu celmiem. Šim nolūkam rauga genomā pievienoja gēnu, kas sintezē zaļi fluorescējošu olbaltumvielu, Zaļo gēnu sasaistīja ar promoteru, kas reaģē uz vienu no transkripcijas faktoriem, ko aktivizē olbaltumviela Fus3. Rezultātā pēc spīdēšanas apmēra varēja noteikt spēku, ar kādu signālkaskāde reaģēja uz alfa-faktoru. Tika reģistrēti divi parametri: spīdēšanas pamatlīmenis, kas tika novērots vēl pirms alfa-faktora parādīšanās vidē, un ātrums, ar kādu spīdēšana palielinājās pēc feromona pievienošanas.

Izrādījās, ka 10 gadījumos no 66 jaunā gēna pievienošana būtiski izmainīja signālkaskādes uzvedību. Vieniem celmiem izmainījās aktivitātes pamatlīmenis, citiem - intensitāte, ar kādu tie reaģēja uz feromonu.

Taču šīs izmaiņas teorētiski varēja izraisīt nevis domēnu pārkombinēšanās pievienotajā olbaltumvielā, bet vienkārši tas apstāklis, ka šūnā palika par kādu funkcionālu domēnu vairāk. Lai izslēgtu šo iespēju, tika veikti vairāki kontroleksperimenti. Šūnā dažādās kombinācijās papildus ievietoja veselu, saīsinātu taču darboties spējīgu (tie kodēja tikai vienu no diviem daudzdomēnu olbaltumvielas fragmentiem) gēnu kopijas. Visas šīs manipulācijas tomēr neradīja būtiskas izmaiņas signālkaskādes darbībā. Tātad eksperimentā iegūtās jaunās fenotipiskās pazīmes ir tieši saistītas ar jaunajām, domēnu rekombinācijas rezultātā izveidoto olbaltumvielu īpašībām.

Vai intensīvāka signālkaskādes darbība modificētajām rauga nūjiņām tiešām izraisīja reālu dzimumaktivitātes palielināšanos? Lai to noskaidrotu, autori sajauca modificētās nūjiņas ar "savvaļas" nūjiņām no cita dzimuma un saskaitīja veiksmīgo saplūšanu skaitu. Izrādījās, ka tās modificētās nūjiņas, kurām palielinājās kaskādes reakcijas ātrums uz feromonu, patiešām pārojās būtiski biežāk, nekā nūjiņas no kontroles grupas, kā arī pretēji - nūjiņas ar pazemināto kaskādes jūtīgumu pārojās retāk, nekā populācijā vidēji.

Rekordistes izrādījās nūjiņas ar mākslīgo olbaltumvielu, kas sastāvēja no Ste50 "kreisās" (N) daļas un Ste7 "labās" (C) daļas, kā arī tās, kurām ievietoja olbaltumvielu-himēru no kreisās Ste5 puses un labās Ste11. Šie "seksa giganti" pārojās trīsreiz biežāk, nekā kontroles savvaļas nūjiņas no a dzimuma.

Dažos gadījumos izdevās atšifrēt radušos fenotipisko izmaiņu molekulāros mehānismus (3. zīm.).

3. zīmējuma kreisajā pusē parādīta situācija, kas izraisīja rauga nūjiņu dzimumaktivitātes palielināšanos. Pievienotā olbaltumviela sastāv no olbaltumvielas Ste5 regulatorā domēna (dzeltens) un olbaltumvielas Ste11 katalītiskā domēna (violets). Šīs olbaltumvielas klātbūtne rada papildus "apvedceļu" signāla pārraidei. Ar savu regulatoro domēnu jaunā olbaltumviela pievienojas Ste4, ko pirms tam aktivizēja alfa-faktora pievienošanās receptoram Ste2. Tā rezultātā jaunās olbaltumvielas katalītisko domēnu aktivizē olbaltumviela Ste20, ko pašu savukārt aktivizē olbaltumviela Ste7. Šī apvedceļa esamība liek šūnai intensīvāk reaģēt uz feromonu, un tas palielina sapārošanās varbūtību.

Pa labi parādīta situācija, kurā dzimumuzvedības efektivitāte pazeminās, lai gan kaskādes pamataktivitātes līmenis pieaug. Citiem vārdiem, kaskāde sāk "fonot": tā gandrīz pārstāj reaģēt uz alfa-faktoru, tā vietā sūtot uz kodolu bezjēdzīgu signālu, kas tiek ģenerēts pašas kaskādes iekšienē neatkarīgi no feromona klātbūtnes. Šajā gadījumā jaunā olbaltumviela sastāv no Ste50 regulatorā domēna un Ste20 katalītiskā domēna. Olbaltumvielas-himēras regulatorais domēns pievienojas, kā jau tam pieklājas, pie Ste11. Rezultātā olbaltumvielas-himēras katalītiskais domēns izrādās blakus Ste11 un to aktivē. Tādējādi signāls tiek ģenerēts patvaļīgi, bez divu, uz membrānas izvietoto olbaltumvielu kompleksu līdzdalības.

Vai rauga nūjiņu dzimumaktivitātes palielināšanās, kas tika novērota eksperimentā, var būt adaptīva? Vai atlase to paturētu, ja tāda mutācija rastos dabīgā populācijā? Tas ir pilnībā iespējams, taču precīzai atbildei būs vajadzīgi papildus pētījumi. Bet pagaidām autori spēja tikai nodemonstrēt, ka dzimumaktivitātes palielināšanās nerada būtisku šūnu augšanas palēnināšanos un pavājinātu reakciju uz osmotiskā spiediena izmaiņām (tie ir divi blakusefekti, kurus teorētiski varēja novērot).

Pētījums parādīja, ka domēnu pārkombinēšana patiešām var būt svarīgs evolucionāro jauninājumu avots - kopā ar citām "liela mēroga" mutācijām, tādām kā gēnu duplikāciju (sk.: Многофункциональные гены - основа для эволюционных новшеств, «Элементы», 30.06.2008.) un DNS regulatoro iecirkņu pārkombinācija vai jaunu parādīšanās, kas noved pie saikņu struktūras izmaiņām gēnu regulatoros tīklos (sk. «Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, «Элементы», 25.04.2006.).

Autori uzsver, ka domēnu pārkombinēšanās var izraisīt pēkšņu jaunu pazīmju parādīšanos, kamēr gēnu duplikācija, kā likums, jauninājumus rada tikai pēc tam, kad abi gēni kaut nedaudz "nošķiras" pēc savām funkcijām, uzkrājot pietiekami daudz atšķirīgus nukleotīdus. To parādīja arī vienā no kontroles eksperimentiem imitētā gēnu duplikācija - rauga nūjiņu genomā ievietoja papildus gēnu kopijas, un tas neizraisīja būtiskas fenotipiskas izmaiņas. Domēnu pārkombinēšanās savukārt ļāva iegūt lielāku fenotipu daudzveidību, tai skaitā arī rauga nūjiņas ar trīskāršotu dzimumaktivitāti.

Avots:
Sergio G. Peisajovich, Joan E. Garbarino, Ping Wei, Wendell A. Lim. Rapid Diversification of Cell Signaling Phenotypes by Modular Domain Recombination // Science. 2010. V. 328. P. 368-372.

Sk. Arī par evolucionāro jauninājumu parādīšanās mehānismiem:

1) Kodējošo gēnu iecirkņu punktveida mutācijas:

Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006.
Чтобы дикий рис превратился в культурный, хватило единственной мутации, «Элементы», 07.04.2006.
Эволюция защитной окраски у мышей изучена на молекулярном уровне, «Элементы», 02.09.2009.

2) Regulatoro iecirkņu izmaiņas:

«Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, «Элементы», 25.04.2006.
Генетические механизмы формирования сложных признаков постепенно проясняются, «Элементы», 14.04.2010.
Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006.

3) Gēnu duplikācija:

Многофункциональные гены - основа для эволюционных новшеств, «Элементы», 30.06.2008.
Удвоение генов может приводить к видообразованию, «Элементы», 04.02.2009.
Прослежена эволюционная история одного из человеческих генов, «Элементы». 17.06.2008.

Augšējā attēlā: E. coli divu domēnu proteīna 1mla kristāliskās struktūras fragments. Redzams katalītiskais - zili zaļais - un regulējošais - dzelteni sarkanais domēns.

Аleksandrs Markovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru