Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Проверять такие теории на практике биологи научились лишь недавно. Например, в 2008 году генетики из Университета Дюка (США) применили эти критерии к дуплицированному гену фермента у ипомеи — рода растений из семейства вьюнковых ( Des Marais, Rausher, 2008 ). Фермент называется дигидрофлавонол-4-редуктаза (DFR). Он восстанавливает различные флавоноиды, превращая их в красные, пурпурные и синие пигменты-антоцианы. Это исходная функция данного фермента, которую он выполняет почти у всех цветковых растений. Кроме того, фермент катализирует некоторые другие химические реакции, причем полный спектр его возможностей на сегодняшний день не установлен.

У ипомеи и нескольких ее близких родственников ген DFR присутствует в виде трех копий, расположенных вплотную друг к другу ( DFR-A , DFR-B , DFR-C ). У других вьюнковых ген имеется только в одном экземпляре. Все вьюнковые с утроенным геном DFR образуют кладу, т. е. группу, происходящую от одного общего предка и включающую всех его потомков. На начальных этапах эволюции этой группы ген подвергся двум последовательным тандемным дупликациям. Сначала возникло две копии, одна из которых стала геном DFR-B , а вторая дуплицировалась еще раз и превратилась в DFR-A и DFR-C .

По соотношению синонимичных и значимых замен авторы установили, что после первой дупликации тот ген, который впоследствии разделился на DFR-A и DFR-C , находился под действием положительного отбора. В нем быстро фиксировались значимые замены, т. е. шла адаптивная эволюция. Что касается гена DRF-B , то в нем скорость фиксации значимых замен после дупликации вроде бы не выросла. Это, казалось бы, свидетельствует в пользу неофункционализации, т. е. говорит о том, что ген DRF-B сохранил исходную функцию, а DFR-A и DFR-C приобрели новую. Однако выводы на этом этапе делать еще рано, потому что важные адаптивные изменения могут быть обусловлены очень небольшим количеством значимых замен. В принципе даже одна-единственная аминокислотная замена может изменить свойства белка.

Чтобы точно установить, имела ли место адаптивная эволюция гена DFR-B после дупликации, необходимо было экспериментально исследовать свойства кодируемого им белка. Именно это и проделали авторы. Они изучили каталитическую активность белков DFR-A, DFR-B и DFR-C ипомеи, а также исходный вариант белка DFR других вьюнковых. Все белки проверялись на способность восстанавливать пять разных субстратов (веществ из группы флавоноидов).

Оказалось, что белок DFR-B ипомеи работает эффективно со всеми пятью субстратами. Исходный белок DFR справляется со всеми ними намного хуже. Наконец, DFR-A и DFR-C вообще не проявляют каталитической активности по отношению к этим пяти субстратам.

Таким образом, белок DFR-B после дупликации стал лучше справляться со своей основной функцией — восстановлением флавоноидов, — чем до дупликации. И это несмотря на то, что после дупликации в нем зафиксировалось мало значимых замен. Как выяснилось, одна-единственная замена в ключевой позиции резко повысила эффективность фермента. История получилась довольно детективная.

У большинства цветковых растений в позиции 133 в белке DFR стоит аминокислота аспарагин (Asn133), которая играет важную роль в «схватывании» ферментом своего субстрата. Белки DFR с Asn133 эффективно восстанавливают флавоноиды. Однако у далеких предков вьюнковых (у общего предка пасленоцветных и горечавковых) этот столь важный аспарагин заменился на аспарагиновую кислоту (Asp133). Это привело к ухудшению «флавоноидной» функции фермента. Почему же такая вредная мутация не была отсеяна отбором? Очевидно, к тому времени у белка DFR в этой эволюционной линии (т. е. у предков пасленоцветных и горечавковых) появилась новая дополнительная функция. Отбор начал оптимизировать белок сразу по двум направлениям, и замена аспарагина на аспарагиновую кислоту в 133-й позиции была следствием компромисса — прямым результатом адаптивного конфликта. В чем состоит эта дополнительная функция, к сожалению, выяснить не удалось. Но изменение произошло в том участке белка, который отвечает за связывание субстрата, значит, речь идет о работе с какими-то новыми субстратами.

С тех пор большинству пасленоцветных и горечавковых пришлось довольствоваться «компромиссным» вариантом белка DFR. Но у предков ипомеи ген DFR удвоился, появилась уникальная возможность уйти от адаптивного конфликта и разделить функции между белками. И предки ипомеи эту возможность не упустили. После дупликации у белка DFR-B восстановился аспарагин в 133-й позиции. Это резко усилило каталитическую активность по отношению к флавоноидам. Эффективность фермента снова стала высокой, как у далеких предков, у которых фермент еще не имел дополнительной функции. И для этого хватило одной-единственной аминокислотной замены (именно поэтому анализ соотношения значимых и синонимичных замен не выявил следов положительного отбора в гене DFR-B ).

Что же произошло с генами DFR-A и DFR-C ? Очевидно, они вовсе отказались от старой функции (работы с флавоноидами) и посвятили себя выполнению новой. Если замена аспарагина на аспарагиновую кислоту была компромиссным решением, позволявшим кое-как совместить обе функции в одном белке, то можно предположить, что у DFR-A и DFR-C аспарагиновая кислота заменится на что-то еще, но только не на аспарагин. Так и произошло. У разных видов ипомей в белке DFR-A 133-ю позицию занимают разные аминокислоты, а в белке DFR-C здесь всегда стоит изолейцин, что лишает белок способности работать с флавоноидами.

Хотя в этом исследовании осталась досадная «дырка» — так и не удалось узнать, в чем же состоит новая функция белков DRF, — тем не менее результаты показывают, что имел место именно уход от адаптивного конфликта, а не неофункционализация. Ген DRF стал бифункциональным задолго до дупликации. Дупликация позволила разделить функции между копиями, снять адаптивный конфликт и оптимизировать каждый ген для выполнения какой-то одной функции.

В конце статьи авторы делают важное замечание. Они указывают, что в случае ухода от адаптивного конфликта по сравнению с неофункционализацией выше вероятность сохранения «лишних» копий гена после дупликации. Ведь если дуплицированный ген выполнял две функции еще до дупликации, то процесс разделения функций может быть инициирован многими разными мутациями в любой из двух копий. Случайные мутации с большей вероятностью могут чуть-чуть усилить одну из существующих функций белка, чем создать совсем новую.

С этих позиций легче понять результаты других исследований, в том числе данные о двух полногеномных дупликациях, произошедших на заре эволюции позвоночных.