Как модульная структура белков позволяет эволюции двигаться вперёд
Изменения в коротком белковом домене могут изменить целую сигнальную сеть, участвующую в развитии органа. Это ключевой результат сравнительного исследования развития органа яйцекладки у двух видов нематод. При этом внешний вид органа остаётся одинаковым у обоих видов. Исследование подтверждает теорию дрейфа систем развития, согласно которой в ходе эволюции аналогичные органы разных видов могут сохранять ту же форму и функцию, в то время как регуляторные механизмы, лежащие в основе их развития, могут значительно меняться.
Новые результаты, опубликованные 26 июля в открытом онлайн-журнале PLoS Biology, поднимают вопрос о том, создаёт ли модульная структура белков пространство для эволюционного развития даже в иначе высококонсервативных структурах органов и сигнальных путей.
Нематода Caenorhabditis elegans (C. elegans) — модельный организм генетики. Червь длиной около миллиметра, его геном полностью секвенирован, что позволяет учёным проследить судьбу каждой из его 959 клеток. За более чем десятилетие исследований Ральф Зоммер, директор отдела эволюционной биологии Института биологии развития Макса Планка в Тюбингене, установил в качестве сравнительного модельного организма вторую нематоду — Pristionchus pacificus (P. pacificus). На первый взгляд этот вид похож на C. elegans, но принадлежит к другому семейству. Последний общий предок двух видов жил 250–420 миллионов лет назад.
«Для сравнения организмы не должны быть слишком близкородственными, поскольку очень малые различия в геноме не могут быть легко отнесены к отдельным событиям в эволюции», — объясняет Сяоюэ Ван, первый автор исследования. «Эти два червя идеальны, и для них доступен широкий спектр генетических и молекулярных инструментов». Учёные изучали развитие органа яйцекладки червей — вульвы, которая выглядит идентично у обоих видов и индуцируется к развитию из шести клеток-предшественников сигналами окружающих тканей.
Чтобы глубже проверить теорию дрейфа систем развития, Сяоюэ Ван проанализировала индукцию развития вульвы из сигнального центра в задней части P. pacificus с помощью генетических и молекулярных методов. Эта система была выбрана потому, что, хотя в развитии вульвы обоих видов участвуют сходные сигнальные пути, они, по-видимому, осуществляют свою молекулярную активность по-разному.
«Я обнаружила единственную мутацию в стоп-элементе ДНК, где у C. elegans заканчивается производство белка, но у P. pacificus белок удлиняется на 17 аминокислот», — говорит Ван. Белок, функционирующий как рецептор, получает за счёт удлинения дополнительный сайт связывания, который позволяет ему взаимодействовать с другим сигнальным путём.
Эволюция, по-видимому, использует существующие сигнальные пути почти как модульную конструкторскую систему: у P. pacificus новый сайт связывания соединяет другой сигнальный путь, который затем используется в новом контексте.
«Я не верю, что то, что мы обнаружили в нашем исследовании нематод, является необычным исключением. Известно, что подобные процессы приводят к развитию рака у людей. Но они также могут инициировать изменения, которые могут стать предметом естественного отбора и в конечном итоге распространиться в ходе эволюции», — продолжает Ван.
Наблюдение, что изменения в регуляторных механизмах не приводят к изменениям в органе, может быть связано с избыточностью. В развитии вульвы нематод, например, уже описано несколько параллельно действующих механизмов. Модульная конструкция белков позволяет сохранять важные части молекулы в течение долгого времени эволюции, создавая при этом возможности для изменения коротких белковых доменов. Общее влияние этих механизмов на эволюцию ещё предстоит исследовать.