Четыре примера появления новых генов путем дупликации
1. Кристаллины - белки хрусталика глаза. Водорастворимость, прозрачность и устойчивость (долгий «срок хранения») - чуть ли не единственные обязательные требования, предъявляемые отбором к белкам-кристаллинам. Вероятно, именно поэтому разные типы кристаллинов у животных многократно формировались из самого разнообразного «подручного материала». Например, дельта-кристаллины птиц и рептилий произошли путем дупликации и суб-функционализации (разделения функций) от фермента аргининосукцинат-лиазы, тау-кристаллины - от энолазы, SIII-кристаллины - от глутатион-S-трансферазы, дзета-кристаллины - от хинон-оксидоредуктазы. Некоторые кристаллины даже сохранили свою ферментативную активность: такие белки могут в хрусталике работать кристаллинами, а в других тканях - ферментами или шаперонами . Так, эпсилон-кристаллин у птиц одновременно является активным ферментом лактат-дегидрогеназой (Wistow, Piatigorsky, 1987; True, Carroll, 2002). Впрочем, генные дупликации и суб-функционализация часто освобождают их от такого «совместительства». Скажем, у человека кристаллин альфа-B совмещает функции кристаллина и шаперона, а у рыбки данио-рерио соответствующий ген дуплицировался, причем одна из копий (альфа-B1) «сосредоточилась» на оптической функции в хрусталике, а вторая (альфа-B2) - на функции шаперона в других тканях (Smith et al., 2006).
Особенно часто кристаллины формируются в ходе эволюции из ферментов гликолиза - биохимического процесса, в ходе которого клетка запасает энергию, расщепляя глюкозу без использования кислорода. Дело в том, что в эмбриональном развитии хрусталик формируется из клеток, не способных к кислородному дыханию: эти клетки могут добывать энергию только путем гликолиза. Соответственно, они прямо-таки набиты гликолитическими ферментами. Ну а естественный отбор - великий оппортунист и приспособленец, он создает адаптации не из того, что лучше, а из того, что первым подвернется.
В привлечении шаперонов на роль кристаллинов логика примерно такая же - оппортунистическая. Шапероны отвечают за стабильность структуры других белков и сглаживают воздействие разнообразных стрессовых факторов - будь то мутации или колебания температуры. Хрусталик формируется в некотором смысле в «стрессовых» условиях (без кислородного дыхания), а его содержимое должно быть очень устойчивым к любым стрессам: хрусталик должен сохранить прозрачность и светопреломляющие характеристики в течение всей жизни организма, в условиях высокой освещенности, без какой-либо помощи извне, без кровеносных сосудов, без нервов. Поэтому присутствие шаперонов в формирующемся хрусталике - адаптация вполне логичная. Ну а раз они там уже есть, чем не материал для эволюции новых кристаллинов?
2. Белки-антифризы антарктических рыб. Нототениевые рыбы - самая разнообразная и массовая группа рыб в холодных антарктических морях. Успех нототениевых связан с наличием в их крови удивительных белков-атнифризов. Эти белки присоединяются к зарождающимся кристалликам льда и не дают им расти, что позволяет нототениевым жить при экстремально низких температурах (соленая морская вода замерзает при -1,9⁰ С, а кровь обычных морских рыб - при -0,7⁰ - -0,1⁰). Как ни удивительно, антифризы нототениевых произошли от белка, функция которого не имеет ничего общего с защитой от замерзания. Их предком был трипсин - фермент поджелудочной железы, расщепляющий белки в пищеварительном тракте. Все гены антифризов (их у нототениевых несколько) очень похожи друг на друга и явно произошли путем последовательных дупликаций от одного предкового гена, который, в свою очередь, сформировался из дубликата гена, кодирующего трипсиноген (белок, из которого затем производится фермент трипсин). Начало и конец у генов антифризов остались такими же, как у трипсинового гена, а в середине разместился многократно повторяющийся (амплифицированный) девятинуклеотидный фрагмент из средней части гена трипсина, кодирующий три аминокислоты: треонин-аланин-аланин. Этот повторяющийся аминокислотный мотив составляет «костяк» молекулы антифриза. Судя по показаниям молекулярных часов, дупликация исходного трипсинового гена и появление первого антифриза произошли 5-14 млн лет назад. Это довольно точно совпадает со временем резкого похолодания в Антарктике (10-14 млн лет назад), а также с началом быстрой адаптивной радиации нототениевых рыб (Chen et al., 1997).
У одного представителя нототениевых - антарктического клыкача Dissostichus mawsoni - обнаружен белок, промежуточный между трипсиногеном и типичным антифризом. В этом белке сохранились фрагменты исходного трипсиногена, утраченные остальными белками-антифризами. Этот белок - настоящая молекулярная «переходная форма».
У некоторых арктических рыб в ходе приспособления к жизни в ледяной воде тоже появились белки-антифризы, но другие. Антифриз трески в общих чертах похож по своей структуре на антифризы нототениевых, но ничего общего не имеет с трипсиногеном. Происхождение трескового антифриза пока не выяснено, ясно только, что это было независимое приобретение. У других арктических рыб свои уникальные антифризы сформировались из других классов белков - лектинов и аполипопротеинов (True, Carroll, 2002).
3. Появление специализированной рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) у обезьян, питающихся листьями. У колобин - обезьян Старого Света, питающихся трудноперевариваемой растительной пищей - развился специализированный отдел желудка, где симбиотические бактерии переваривают несъедобную для животных целлюлозу (как у жвачных). Сама обезьяна питается фактически этими бактериями, а в них, как и в любых быстро растущих бактериальных популяциях, очень много РНК.
Чтобы переваривать бактериальную РНК, колобинам нужен фермент - РНКаза, способная работать в кислой среде. У предков колобин такого фермента не было. Зато у них, как у всех обезьян, была другая РНКаза (Rnase1), работающая в щелочной среде и способная расщеплять двухцепочечную РНК. Это один из механизмов противовирусной защиты, не имеющий отношения к пищеварению. У колобин в связи с переходом к питанию симбиотическими бактериями появилась новая РНКаза - Rnase1B. Она производится в поджелудочной железе и поступает в тонкий кишечник. У колобин, в отличие от других обезьян, там кислая среда, а не щелочная. Новый фермент эффективно переваривает бактериальную РНК, но не способен обезвреживать двухцепочечную вирусную РНК.
Ген Rnase1B возник в результате дупликации исходного гена Rnase1. После дупликации одна из копий сохранила старую функцию, а другая приобрела новую. При этом на первую копию действовал очищающий отбор, а на вторую - положительный, что привело к закреплению девяти значимых замен. Эксперименты показали, что каждая из этих девяти замен снижает эффективность выполнения исходной функции - расщепления двухцепочечной РНК. Следовательно, дупликация была необходима для развития новой функции: не будь у колобин «запасной» копии гена, которая продолжила выполнять старую функцию, отбор вряд ли смог бы закрепить эти девять мутаций (Zhang et al., 2002).
4. «Молочные» белки таракана Diploptera punctata. Эти живородящие тараканы выкармливают своих детенышей специальными белками, которые произошли путем дупликации и нео-функционализации от липокалинов - внеклеточных белков, отвечающих за транспорт небольших гидрофобных молекул (липидов, стероидов, ретиноидов и др.) (Williford et al., 2004). По-видимому, от того же предкового липокалина у другого таракана, Leucophaea maderae, произошел белок-афродизиак, при помощи которого самцы привлекают самок (Korchi et al., 1999).
Особенно часто кристаллины формируются в ходе эволюции из ферментов гликолиза - биохимического процесса, в ходе которого клетка запасает энергию, расщепляя глюкозу без использования кислорода. Дело в том, что в эмбриональном развитии хрусталик формируется из клеток, не способных к кислородному дыханию: эти клетки могут добывать энергию только путем гликолиза. Соответственно, они прямо-таки набиты гликолитическими ферментами. Ну а естественный отбор - великий оппортунист и приспособленец, он создает адаптации не из того, что лучше, а из того, что первым подвернется.
В привлечении шаперонов на роль кристаллинов логика примерно такая же - оппортунистическая. Шапероны отвечают за стабильность структуры других белков и сглаживают воздействие разнообразных стрессовых факторов - будь то мутации или колебания температуры. Хрусталик формируется в некотором смысле в «стрессовых» условиях (без кислородного дыхания), а его содержимое должно быть очень устойчивым к любым стрессам: хрусталик должен сохранить прозрачность и светопреломляющие характеристики в течение всей жизни организма, в условиях высокой освещенности, без какой-либо помощи извне, без кровеносных сосудов, без нервов. Поэтому присутствие шаперонов в формирующемся хрусталике - адаптация вполне логичная. Ну а раз они там уже есть, чем не материал для эволюции новых кристаллинов?
2. Белки-антифризы антарктических рыб. Нототениевые рыбы - самая разнообразная и массовая группа рыб в холодных антарктических морях. Успех нототениевых связан с наличием в их крови удивительных белков-атнифризов. Эти белки присоединяются к зарождающимся кристалликам льда и не дают им расти, что позволяет нототениевым жить при экстремально низких температурах (соленая морская вода замерзает при -1,9⁰ С, а кровь обычных морских рыб - при -0,7⁰ - -0,1⁰). Как ни удивительно, антифризы нототениевых произошли от белка, функция которого не имеет ничего общего с защитой от замерзания. Их предком был трипсин - фермент поджелудочной железы, расщепляющий белки в пищеварительном тракте. Все гены антифризов (их у нототениевых несколько) очень похожи друг на друга и явно произошли путем последовательных дупликаций от одного предкового гена, который, в свою очередь, сформировался из дубликата гена, кодирующего трипсиноген (белок, из которого затем производится фермент трипсин). Начало и конец у генов антифризов остались такими же, как у трипсинового гена, а в середине разместился многократно повторяющийся (амплифицированный) девятинуклеотидный фрагмент из средней части гена трипсина, кодирующий три аминокислоты: треонин-аланин-аланин. Этот повторяющийся аминокислотный мотив составляет «костяк» молекулы антифриза. Судя по показаниям молекулярных часов, дупликация исходного трипсинового гена и появление первого антифриза произошли 5-14 млн лет назад. Это довольно точно совпадает со временем резкого похолодания в Антарктике (10-14 млн лет назад), а также с началом быстрой адаптивной радиации нототениевых рыб (Chen et al., 1997).
У одного представителя нототениевых - антарктического клыкача Dissostichus mawsoni - обнаружен белок, промежуточный между трипсиногеном и типичным антифризом. В этом белке сохранились фрагменты исходного трипсиногена, утраченные остальными белками-антифризами. Этот белок - настоящая молекулярная «переходная форма».
У некоторых арктических рыб в ходе приспособления к жизни в ледяной воде тоже появились белки-антифризы, но другие. Антифриз трески в общих чертах похож по своей структуре на антифризы нототениевых, но ничего общего не имеет с трипсиногеном. Происхождение трескового антифриза пока не выяснено, ясно только, что это было независимое приобретение. У других арктических рыб свои уникальные антифризы сформировались из других классов белков - лектинов и аполипопротеинов (True, Carroll, 2002).
3. Появление специализированной рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) у обезьян, питающихся листьями. У колобин - обезьян Старого Света, питающихся трудноперевариваемой растительной пищей - развился специализированный отдел желудка, где симбиотические бактерии переваривают несъедобную для животных целлюлозу (как у жвачных). Сама обезьяна питается фактически этими бактериями, а в них, как и в любых быстро растущих бактериальных популяциях, очень много РНК.
Чтобы переваривать бактериальную РНК, колобинам нужен фермент - РНКаза, способная работать в кислой среде. У предков колобин такого фермента не было. Зато у них, как у всех обезьян, была другая РНКаза (Rnase1), работающая в щелочной среде и способная расщеплять двухцепочечную РНК. Это один из механизмов противовирусной защиты, не имеющий отношения к пищеварению. У колобин в связи с переходом к питанию симбиотическими бактериями появилась новая РНКаза - Rnase1B. Она производится в поджелудочной железе и поступает в тонкий кишечник. У колобин, в отличие от других обезьян, там кислая среда, а не щелочная. Новый фермент эффективно переваривает бактериальную РНК, но не способен обезвреживать двухцепочечную вирусную РНК.
Ген Rnase1B возник в результате дупликации исходного гена Rnase1. После дупликации одна из копий сохранила старую функцию, а другая приобрела новую. При этом на первую копию действовал очищающий отбор, а на вторую - положительный, что привело к закреплению девяти значимых замен. Эксперименты показали, что каждая из этих девяти замен снижает эффективность выполнения исходной функции - расщепления двухцепочечной РНК. Следовательно, дупликация была необходима для развития новой функции: не будь у колобин «запасной» копии гена, которая продолжила выполнять старую функцию, отбор вряд ли смог бы закрепить эти девять мутаций (Zhang et al., 2002).
4. «Молочные» белки таракана Diploptera punctata. Эти живородящие тараканы выкармливают своих детенышей специальными белками, которые произошли путем дупликации и нео-функционализации от липокалинов - внеклеточных белков, отвечающих за транспорт небольших гидрофобных молекул (липидов, стероидов, ретиноидов и др.) (Williford et al., 2004). По-видимому, от того же предкового липокалина у другого таракана, Leucophaea maderae, произошел белок-афродизиак, при помощи которого самцы привлекают самок (Korchi et al., 1999).