Скорее всего, тот же самый эффект мог быть достигнут и без генной дупликации — путем формирования в регуляторной области LMI1 новых энхансеров (так называют регуляторные участки гена, к которым прикрепляются специальные белки — регуляторы транскрипции, или транскрипционные факторы, — что приводит к усилению или, наоборот, ослаблению экспрессии гена). Именно таким способом развивались, например, узоры на крыльях дрозофил (о чем мы рассказывали в книгах «Рождение сложности» и «Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий»). В обоих случаях ключевую роль сыграли изменения регуляторных, а не кодирующих участков генов. По-видимому, это самый типичный путь формирования новых морфологических признаков. Гены, контролирующие развитие организма, как правило, многофункциональны. Причина в том, что в ходе эволюции к ним очень легко «привешиваются» новые функции, ведь фактически эти гены служат профессиональными регуляторами активности других генов — и им все равно, какие именно гены регулировать. Многофункциональность регуляторов развития накладывает жесткие ограничения на эволюцию их белок-кодирующих частей, потому что изменения в них приведут к множественным последствиям, большинство из которых наверняка будут вредными. Обойти эту проблему позволяют изменения регуляторных участков таких генов. При этом формируются новые области экспрессии гена-регулятора, что позволяет создать новую функцию, не вредя старым.
Исследование № 17
Последствия генных дупликаций удалось оценить количественно
Дупликация генов — один из главных способов появления новых признаков. Ранее на отдельных примерах было показано, что эволюционная судьба паралогов (копий удвоившегося гена) может складываться по-разному. Паралог может приобрести новую функцию, сохранить старую или специализироваться на одном из аспектов старой функции, разделив сферы действия с другими паралогами. Все это по-разному сказывается на таких важных характеристиках организма (и отдельных его подсистем), как сложность и помехоустойчивость. Канадские генетики попробовали количественно оценить эволюционные последствия 56 генных дупликаций, произошедших у предков пекарских дрожжей. Для этого они изучили влияние каждой дупликации на систему взаимодействий между белками в клетке. Оказалось, что в 22 случаях дупликация повысила помехоустойчивость системы. Это проявляется в том, что при потере или поломке одного из паралогов его функции частично или полностью берет на себя другой, сохранившийся. Однако в 19 других случаях утрата одного паралога не только не компенсировалась, но и нарушила работу второго, сохранившегося паралога. Таким образом, исследование показало, что копии удвоившегося гена часто становятся взаимозависимыми, после чего одна из них уже не может нормально работать без второй. В результате система не только усложняется, но и становится менее надежной (более чувствительной к помехам).
Удвоение генов — один из главных источников эволюционных новшеств, потому что появившаяся в геноме «лишняя» копия гена на какое-то время получает небывалую эволюционную свободу. Возникающие в ней мутации не подвергаются немедленной отбраковке, даже если нарушают исходную функцию белка, поскольку сохраняется вторая копия, по-прежнему исправно выполняющая эту функцию.
Чаще всего одна из копий удвоившегося гена (такие копии, как мы помним, называют паралогами) просто деградирует под грузом мутаций, выходит из строя или вовсе утрачивается. Но существует и ряд более интересных сценариев, таких как неофункционализация (появление у одного из паралогов новой функции; см. Исследование № 16) и субфункционализация (когда паралоги делят между собой разные аспекты исходной функции).
С одной стороны, если функции паралогов остаются отчасти перекрывающимися, дублирующими друг друга, это повышает помехоустойчивость. Мутация, слегка нарушающая работу одного из паралогов, скорее всего, не принесет большого вреда, ведь второй паралог его «подстраховывает». С другой стороны, такие мутации и отбраковываться отбором будут менее эффективно, так что в долгосрочной перспективе по мере накопления мутаций в одном из паралогов (или в обоих) степень дублирования уменьшится. В итоге может произойти субфункционализация.
Субфункционализация может сопровождаться «бессмысленным», не приносящим пользы усложнением (см. Исследование № 18) и снижением помехоустойчивости. Почему так происходит? Допустим, некая функция ранее успешно выполнялась одним белком. Но вот произошла дупликация — и вместо одного белка появились два одинаковых паралога. После этого мутации могут испортить один из аспектов функциональности первого паралога. Эти мутации не будут отбракованы отбором, поскольку данную работу нормально выполняет второй паралог. Но и второй паралог, в свою очередь, может так же легко утратить какой-то другой аспект своей функциональности, сохранившийся у первого паралога. В результате функция, которая отлично выполнялась у предков одним белком, у потомков будет с точно такой же эффективностью (то есть без всякого выигрыша) выполняться двумя белками. Система станет сложнее, хотя никакой пользы организму это не принесет.
Таким образом, судьба паралогов может складываться по-разному. Возможные сценарии теоретически просчитаны и проиллюстрированы отдельными изученными примерами. Логичный следующий шаг — количественная оценка вероятности (частоты реализации) этих сценариев.
Именно это и попытались сделать канадские биологи (Diss et al., 2017). Их крайне трудоемкое исследование было выполнено на пекарских дрожжах (Saccharomyces cerevisiae). Ученые выбрали для анализа 112 белков, составляющих 56 паралогичных пар и выполняющих широкий круг функций. По каждому из этих белков удалось получить данные о взаимодействиях с другими белками. В среднем каждый из 112 белков взаимодействует примерно с двумя десятками других, то есть в общей сложности рассматривалось более 2000 попарных белок-белковых взаимодействий.
Для выявления белок-белковых взаимодействий у дрожжей ранее был разработан хитроумный метод. Главная идея состоит в сборке какого-нибудь необходимого клетке белка (обозначим его Х) из двух половинок. Ген белка X из клеток предварительно удаляют. Затем этот ген разрезают на две части и присоединяют их к генам двух других белков, А и Б, про которые нужно выяснить, взаимодействуют они друг с другом или нет. Если белки А и Б взаимодействуют, то они должны хотя бы иногда сближаться — и тогда присоединенные к ним половинки белка Х получают возможность свернуться в функциональную молекулу. Этот номер пройдет не со всяким белком, но все же многие белки способны выполнять свою работу, даже если их части не соединены ковалентными связями, а только сближены в пространстве. Итак, если дрожжи с разделенными таким образом половинками белка Х живут и размножаются, значит, белки А и Б взаимодействуют друг с другом. Более того, по скорости размножения клеток можно судить о силе белок-белкового взаимодействия. При помощи этого метода исследователи выясняли, как наличие или отсутствие одного паралога влияет на белок-белковые взаимодействия, осуществляемые вторым. Здесь возможны три ситуации (рис. 17.1):
