Новый подход в эволюционной протеомике раскрывает механизмы возникновения новых функций генов

Создание генов с новыми функциями — ключевой драйвер эволюционных инноваций. Однако механизмы, по которым эти гены приобретают новые функции в эволюционных масштабах времени, остаются неясными.

Частые дупликации целых геномов создают у организмов избыточные копии генов, которые могут мутировать и приобретать новую функциональность. Эти дублированные гены схожи на уровне последовательности, и принято считать, что по мере расхождения видов они сохраняют одни и те же функции миллионы лет. Это предположение ведёт к убеждению, что гены со схожими последовательностями имеют одинаковые функции, что может быть неверно.

Учёные из Университета Пердью Дэн Шимански и аспирант Янгву Ли разработали новый высокопроизводительный метод для анализа этих генов и кодируемых ими белков. Он позволяет выявлять функциональные различия среди генов, которые выглядят одинаково, у целого ряда видов растений. Их работа показывает, что эти дублированные гены могут порождать как новые функции белков, так и новые взаимодействия внутри белковых комплексов, что движет биологической эволюцией и инновациями у растений.

«Большинство анализов эволюции растений основаны на последовательностях ДНК и белков, но наш анализ основан на уникальных функциональных взаимодействиях или белково-белковых взаимодействиях среди родственных белков. Это выходит далеко за рамки последовательности и даёт более глубокие функциональные подсказки», — сказал Шимански, профессор кафедры ботаники и патологии растений. — «Мы можем строить гипотезы о том, как конкретные белково-белковые взаимодействия могли эволюционировать в условиях меняющейся среды или в результате изменений в развитии организма».

Метод Шимански и Ли включает сравнение белков и белковых комплексов из нескольких растений с помощью масс-спектрометрии. Используя модельное растение Arabidopsis thaliana, а также хлопок, сою и рис (имеющих общего предка), учёные обнаружили различия в массах у эволюционно родственных белков. Это указывает на то, что эти белки, которые должны были бы быть одинаковыми у разных растений, нашли способы формировать новые белковые комплексы и развивать новые функции. Затем одно и то же семейство белков можно анализировать у широкого спектра видов для поиска эволюционных закономерностей в данных о белково-белковых взаимодействиях.

«По мере эволюции растений и приобретения дупликаций в их геномах некоторые белки мутируют, чтобы развить функцию, отсутствовавшую у предкового гена. Мы можем видеть это по различиям в массах белковых комплексов», — пояснил Шимански. — «Они связываются с другими белками или сами с собой, и иногда эти различия порождают важные новые функции, которые широко сохраняются в линии».

Хотя можно было бы предположить, что эти белково-белковые взаимодействия сформировались случайно, команда Шимански предоставляет доказательства, что эти изменения были вызваны условиями окружающей среды и сохранялись у растений миллионы лет.

Учёные приводят в пример карбоангидразу — белок, ключевой для транспорта диоксида углерода (CO₂). Этот белок не ограничивал продуктивность растений в среде с высоким содержанием CO₂. Однако около 400 миллионов лет назад уровень CO₂ в атмосфере Земли начал падать из-за широкого распространения растений. Эта новая среда с ограничением CO₂ могла повысить важность карбоангидразы, так как её неофункционализация в более эффективную форму прослеживается именно к этому периоду в истории Земли.

Разработанный Шимански и Ли процесс даёт молекулярное объяснение общего пути белковой неофункционализации.

«Это показывает, какие белки изменились и как эволюционировали белково-белковые взаимодействия», — сказал Шимански. — «Это может многое рассказать нам о типах белков, которые инноваровали в ответ на изменения окружающей среды или программы развития растения».