О роли эпистаза в долговременной молекулярной эволюции
В Барселоне изучили 16 высококонсервативных белков «домашнего хозяйства». Руководил исследованиями Федор Кондрашов, работа опубликована в Nature.
Термин «эпистаз» был введен Вильямом Бэтсоном (William Bateson) около 100 лет назад для описания обнаруженных им различий в предполагаемом и реально наблюдаемом расщеплении фенотипов при дигибридном скрещивании. А именно, в проводимых им генетических экспериментах наблюдались не все теоретически предсказанные классы фенотипов или же некоторые генетические комбинации приводили к появлению новых фенотипов, не совпадавших с ожидаемыми. Данные наблюдения можно было объяснить только тем, что при определенных комбинациях аллельные варианты разных генов взаимодействуют друг с другом, и фенотипические эффекты некоторых из них занимают более высокий иерархический ранг. Такие мутации, подавляющие или полностью блокирующие фенотипические проявления других, называются эпистатическими, тогда как блокируемые ими мутации – гипостатическими.
В течение последующих лет применение термина «эпистаз» генетиками распространилось практически на все сложные взаимоотношения между генетическими локусами, а сам термин приобрел несколько значений. В основном это понятие применялось для описания трех классов феноменов: функциональных взаимоотношений между генами и кодируемыми ими белками (то есть в значении, наиболее близком к первоначальному), иерархической генетической организации регуляторных молекулярных каскадов и статистических различий в аллель-специфических фенотипических эффектах. Как ни странно, различия в определении термина «эпистаз» практически не привели к конфликтам в литературе, во многом благодаря тому, что генетики разных областей биологии эффективно игнорировали исследования друг друга. Молекулярные генетики изучают, как определенные фенотипические эффекты реализуются в сложных регуляторных молекулярных сетях, в то время как эволюционные генетики на основе статистического описания генетической изменчивости пытаются определить конкретные мутации, ответственные за адаптивную эволюцию.
Тем не менее, несмотря на сложившиеся расхождения в конкретных определениях эпистаза, в последнее время стало очевидным, что элементы всех клеточных, физиологических и эволюционных систем находятся друг с другом в настолько сложных взаимоотношениях, что фундаментальная концепция эпистаза является более актуальной, чем когда-либо, и именно она может стать основой для объединения традиционно разных областей генетики. Одним из последствий такого «системного подхода», объединяющего методы и области интереса молекулярной и эволюционной генетики, становится пересмотр значимости эпистаза в эволюционных процессах.
Ранее эпистаз рассматривался как важный фактор, оказывающий влияние на многие эволюционные феномены, включая генетическую дивергенцию видов, эволюцию полового размножения и эволюцию организации генетических систем. Один из наиболее интригующих вопросов эволюционной биологии заключался в том, может ли эпистаз определять пути эволюционных изменений. Иными словами, если эпистаз оказывает важное влияние на эволюционные процессы, то адаптивные свойства (положительные или отрицательные) каждой новой мутации будут зависеть от того, какие мутации данный геном уже успел накопить. В случае одной «мутационной истории» одна и та же мутация может иметь положительный адаптивный характер (и тогда она с высокой вероятностью будет закреплена отбором), а в случае другого набора предыдущих мутаций эта же мутация станет отрицательной (и с высокой вероятностью будет элиминирована отбором). Таким образом, под влиянием эпистаза эволюционные изменения могут идти только по определенному набору направлений, а мутации «не соответствующие» этим направлениям будут элиминироваться.
Традиционно эволюционные исследования эпистаза были сфокусированы на взаимодействиях отдельных генетических локусов. Современные же подходы системной биологии акцентируют свое внимание на функциональных исследованиях взаимодействия мутаций в пределах индивидуальных белков. И именно такой подход позволил ученым взглянуть на роль эпистаза в эволюции по-новому.
Последнее исследование специалистов Центра геномной регуляции в Барселоне под руководством нашего соотечественника Федора Кондрашова, заведующего лабораторией эволюционной геномики, не только подтвердило чрезвычайную важность эпистаза в эволюционных процессах, но и показало, что его влияние на молекулярную эволюцию может быть поистине колоссальным. Результаты исследования опубликованы в последнем номере журнале Nature.
Факторы, определяющие скорость и направление молекулярной эволюции, продолжают оставаться одним из основных вопросов эволюционной биологии. Изначально считалось, что те или иные аминокислотные замены (мутации) закрепляются в геноме исключительно под влиянием отбора. Затем, после появления нейтральной теории эволюции, стало ясно, что такое закрепление может происходить и в результате генетического дрейфа, и многие исследования того времени фокусировались на выяснении «удельного веса» отбора и дрейфа в эволюционных процессах. Сегодня специалисты сходятся во мнении, что оба этих процесса играют важную роль, и именно они обеспечивают фиксацию всех аминокислотных замен (в результате нейтральных или положительных мутаций) в ходе эволюции.
В случае эпистаза, любая мутация, нейтральная или положительная в одном генетическом окружении, может оказаться отрицательной (вредной для носителя) в другом. И поскольку эпистаз, таким образом, влияет на скорость и возможные направления молекулярной эволюции, знание распространенности этого эффекта чрезвычайно важно для понимания долговременных механизмов эволюции белков. До настоящего же времени, количественная оценка распространенности эпистаза не проводилась.
Для реализации количественного анализа эпистаза в белковой эволюции авторы разработали уникальный биоинформатический метод, позволяющий оценить, какая часть аминокислотных замен, имеющих место у одного вида, будет допустима (то есть, не приобретет отрицательный характер) для ортологичных (то есть, филогенетически родственных, произошедших от общего предка) участков белков другого вида.
В качестве объекта исследования были выбраны 16 высококонсервативных белков, выполняющих хорошо известные ключевые функции в клетке (так называемые, хаускипинг-белки или белки «домашнего хозяйства»): 13 митохондриальных белков, 2 белка, кодируемых ядерным геномом, и 1 белок хлоропластов. Путем множественного выравнивания было проанализировано более 1000 ортологичных последовательностей этих белков, принадлежащих эволюционно самым разным и отдаленным группам организмов. На основании этого выравнивания определялся показатель «использования аминокислот», как число разных аминокислот, присутствующих в одном и том же участке ортологичных генов.
В результате глобального анализа, авторы обнаружили, что среди всех исследованных генов средний показатель использования аминокислот составляет менее 9. Иными словами, в каждом из ортологичных генных локусов в среднем встречается 8 разных аминокислот.
В том случае, если бы аминокислотные замены закреплялись в ходе эволюции только положительным отбором без эпистаза, средний показатель должен бы составлять две пятых от числа всех возможных аминокислот, а средняя скорость аминокислотных замен, таким образом, должна быть на три пятых ниже, по сравнению с таковой при нейтральной эволюции. Однако данные авторов показали, что наблюдаемая скорость аминокислотных замен в ходе относительно недавних этапов эволюции почти в 20 раз ниже, чем это должно наблюдаться при нейтральной эволюции, и на порядок ниже, чем при положительном отборе в отсутствие эпистаза.
Иными словами, результаты исследования показывают, что эпистаз является абсолютно первичным фактором белковой эволюции. Около 90% всех мутаций, приводящих к аминокислотным заменам, приобретают нейтральный или положительный адаптивный характер только в том генетическом окружении, где они происходят. Если эти же мутации произойдут в гомологичных участках генома других видов, в 90% случаев их влияние на адаптивность будет вредным.
Коль скоро эпистаз играет такую значимую роль в процессе долговременной молекулярной эволюции, дальнейшие усилия, по мнению авторов, должны быть направлены на выяснение целого ряда фундаментальных вопросов, касающихся этого явления, в частности, распространенности внутригенных и межгенных эпистатических взаимодействий и молекулярных механизмов эпистатической регуляции генома. Наконец, может быть и в кратковременных эволюционных процессах влияние эпистаза не менее значительно?
Источник: Michael S. Breen, Carsten Kemena, Peter K. Vlasov, Cedric Notredame & Fyodor A. Kondrashov. Epistasis as the primary factor in molecular evolution. Nature 490, 535–538 (25 October 2012) doi:10.1038/nature11510
