Зачем дрожжам две копии гена

Удвоение всего генома (полиплоидия) — один из механизмов, приводящих к эволюционным преобразованиям: возникновению генов с новыми функциями. Считается, что нынешний геном пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, S. cerevisiae) сформировался в результате полногеномной дупликации, произошедшей примерно сто миллионов лет назад, после чего большинство генов вернулись к одиночному состоянию за счет потери одной из копий, а порядок генов на хромосомах изменили многочисленные транслокации.

«Когда мы анализируем геномы, мы видим участки, которые сохранились после полногеномного удвоения, которое произошло миллионы лет назад, — говорит доктор Елена Кузмин из Университета Макгилла (Канада), одна из ведущих авторов публикации в журнале «Science». «Почему некоторые дупликации сохраняются, в то время как большинство элиминируется? Мы пытались найти этому какое-то объяснение, чтобы понять, как силы эволюции формируют геном».

Всего в геноме S. cerevisiae 6000 генов, в том числе 551 пара паралогов (дуплицированных генов), сохранившаяся в геноме после полногеномной дупликации. Как установили авторы ранее, дуплицированные гены 331 пары паралогов, скорее всего, служат «резервными копиями» — при удалении одного из генов в паре это никак не сказывается на клетке, а двойная мутация, проводящая к удалению обоих генов, снижает выживаемость. Сложнее с другими парами, которые не являются необходимыми: удалить можно оба без видимого эффекта.

Чтобы выяснить, в чем преимущество сохранения таких пар, ученые исследовали дрожжи с мутациями не только в обоих паралогах, но и в третьем гене. Если суммарный эффект от утраты двух паралогов и еще одного гена превышал ожидаемый эффект, это говорило о том, что функции паpалогов довольно схожи. Например, такой парой оказались паралоги MRS3 и MRS4, кодирующие митохондриальные транспортеры с высокой аффинностью к Fe²⁺, а гены, с которыми они взаимодействовали, относились к группе генов, вовлеченных в регуляцию гомеостаза ионов Fe²⁺. Сходными оказались и последовательности аминокислот в белках, кодируемых этими генами (76%).

Исследователи изучили 537 911 штаммов пекарских дрожжей с двойными мутациями и 256 861 штаммов с тройными мутациями и выяснили, что не жизненно необходимые для клетки паралоги можно отнести к двум группам — одни кодируют белки с похожими функциями, другие — с совершенно новыми функциями. При этом способность приобретать новые функции определяется структурой кодируемого геном белка.

Чем сильнее функция белка зависит от его сложной структуры, тем выше вероятность, что случайная мутация сделает его нефункциональным (например, если это трансмембранный белок с множеством гидрофобных доменов, потеря таких доменов приведет к неспособности белка интегрироваться в мембрану). Соответственно, в такой паре паралогов один ген будет находиться под давлением отбора и останется неизменным, в то время как другой может стать нефункциональным из-за мутации. А гены, кодирующие белки, чья функция в меньшей степени зависит от их сложной структуры, имели больше возможностей для эволюционных изменений. Также эволюционировали гены, кодирующие белки с несколькими не связанными функциями.

Результаты построенной исследователями компьютерной модели совпадают с экспериментальными данными. Согласно этой модели, некоторые пары паралогов будут сохраняться в геноме очень долгое время, и возможно, что некоторые дуплицированные гены никогда не вернутся в одиночное состояние.