Ранее не охарактеризованный ген FAME и разнообразие его ролей

Различные эволюционные пути основных групп позвоночных подразумевают большое количество особенностей метаболизма, а также различий в репродуктивной и выделительной системе. Эти различия обуславливаются соответствующими изменениями в геноме и особенностями структуры белков. Международный коллектив исследователей задался целью связать эволюционный контекст с генетическими, а затем и фенотипическими особенностями животных. При этом ученые поставили вопрос, какой ген (или гены) демонстрирует необычно высокую степень эволюционного расхождения между птицами и млекопитающими и какое значение это может иметь.

Сравнительная геномика — оптимальный подход для того, чтобы определять кодирующие и некодирующие участки генома, отвечающие за расхождения между различными группами животных. С ее помощью авторы исследовали белки, коэволюционирующие с основными группами позвоночных. Они сравнили отношение несинонимичных (dN) замен к синонимичным (dS) в геномах птиц, рептилий и млекопитающих. Всего сравнили 28 пар геномов млекопитающих, 27 — птиц и 16 — рептилий.

Сравнение выявило 312 белков, соотношение dN/dS в которых значимо отличалось в разных кладах (птиц и рептилий). Наиболее нестабильную последовательность (менее 60 % идентичности между видами) имели три гена: STOX1, CEP126 и CCDC198. Первые два уже были описаны ранее, и ученые сосредоточились на третьем из них, ранее не охарактеризованном.

Этот белок, CCDC198/C14orf105 у человека и 1700011H14Rik у мыши, авторы назвали «фактором, ассоциированным с метаболизмом и энергией» (Factor Associated with Metabolism and Energy, FAME). Среднее соотношение dN/dS в его последовательности составляло 0,3912 у млекопитающих и 0,4235 у птиц, а у рептилий этот показатель был ниже и равнялся 0,2779. Такая разница указывает на различную скорость эволюции этого белка — у птиц и млекопитающих она выше, чем у рептилий.

Эволюционные изменения FAME подтвердили и в геноме человека — ученые проанализировали однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) в последовательности FAME, характерные для современных людей и для неандертальцев. Было выявлено 23 таких SNP, отличающих FAME современного человека от FAME неандертальцев, причем в каждом случае исследуемый аллель встречался в гомозиготе.

Затем ученые рассчитали корреляцию между характеристиками образа жизни животных и особенностями выравнивания последовательностей этого белка. Выяснилось, что этот белок эволюционировал одновременно с метаболическими признаками и особенностями экскреции. Это позволило исследователям предположить роль FAME в контроле обмена веществ и, в частности, водного баланса.

Анализ экспрессии FAME в различных тканях и органах показал, что в первую очередь этот белок представлен в клетках почечного эпителия, и в меньшей степени экспрессируется в поджелудочной железе, печени и фаллопиевых трубах. Дальнейшие исследования указывают на мембранную локализацию FAME и наличие у него сайта миристоилирования (эта посттрансляционная модификация служит для заякоривания белка в мембране). В частности, FAME обнаруживался в цитоплазматических везикулах в клетках почек, что позволяет предположить его роль в клеточном/мембранном транспорте.

Затем ученые установили, с какими белками FAME взаимодействует в клетке. Скрининг на дрожжевой модели выявил несколько потенциальных партнеров, основными из которых являются тяжелая цепь ферритина (FTH1), FNBP1-подобный белок (где FNBP1 — форминсвязывающий белок 1) и киназа TLK1.

Такие взаимодействия указывают на связь FAME с метаболизмом железа (ферритин участвует в запасании железа в растворимой форме и его накоплении клетками капсулы почки в ходе ее развития). Остальные выявленные взаимодействия говорят о том, что этот белок ассоциирован с клеточным циклом.

Дальнейшее исследование роли FAME проводилось на мышиных моделях. Выяснилось, что нокаут этого гена в норме не приводит к заметным фенотипическим изменениям, однако продукт его экспрессии важен в неблагоприятных для организма условиях, например, при дефиците нутриентов. Так, эмбриогенез мышей в условиях дефицита железа протекал с формированием уменьшенных внутренних органов, и эти отклонения в размерах регулировались при участии FAME.

Кроме того, нокаут Fame сказывался на метаболических параметрах и изменял активность модельных животных. Ученые измеряли потребление воды и пищи, потребление кислорода и продукцию углекислого газа, а также двигательную активность нокаутных мышей двух различных линий. Нокаут Fame изменял метаболический профиль животных, причем эффект зависел от линии — например, мыши FVB/Ant при нокауте были склонны к набору веса сильнее, чем дикий тип, а C57BL/6NCrl наоборот.

Такая роль FAME в регуляции метаболизма и энергетического гомеостаза навела исследователей на мысль проверить, есть ли связь между этим геном и онкогенезом. В клетках злокачественных опухолей часто наблюдаются отклонения от нормального метаболизма. Выяснилось, что экспрессия FAME действительно повышена в раковых клеточных линиях, и более того, количественная оценка FAME может являться маркером выживаемости (survival probability) при различных видах рака. Так, у пациентов с папиллярной почечно-клеточной карциномой и светлоклеточной карциномой почки более высокие уровни экспрессии FAME были ассоциированы с большей выживаемостью, хотя и на уровне тенденции (при значениях p-value 0,08 и 0,071, соответственно). При этом анализ транскриптомного атласа и последующие эксперименты показали, что экспрессия FAME возрастает при эпителиально-мезенхимальном переходе, а его нокаут снижает экспрессию генов, ассоциированных с этим процессом. Авторы отмечают, что вопрос о роли FAME в онкогенезе и прогрессии рака требует дальнейшего изучения.

В итоге авторы подробно описали ранее не охарактеризованный ген и разнообразие его ролей в организме. FAME регулирует метаболизм и клеточный цикл, причем его эффект зависит не только от видоспецифичных особенностей структуры белка, но и от генетического контекста. Это наглядная демонстрация ныне редкого примера того, как исследовательское любопытство и отдельно взятые вопросы ученых могут подтолкнуть фундаментальную науку, из которой затем вырастают и прикладные знания.

Частоту вредных мутаций снижают эпигенетические механизмы?