Как один ген стал двумя: молекулярный механизм эволюции подтверждён

Исследователи впервые показали на молекулярном уровне, как один ген развил две конкурирующие функции, которые впоследствии разделились — путём дупликации гена — и пошли своими эволюционными путями.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, подтверждает гипотезу, выдвинутую десятилетия назад, о ключевом механизме эволюции, а также происхождение семейства антифризных белков (AFP III), помогающих антарктической белокровке выживать в ледяных водах Южного океана.

От фермента к антифризу

Учёные с 2001 года знали, что последовательность генов, кодирующих AFP III, очень похожа на часть последовательности гена, кодирующего клеточный фермент у человека — сиаловую кислоту синтазу (SAS). Предполагалось, что гены антифризных белков эволюционировали из дублированной копии гена SAS, но экспериментальных доказательств не было.

Сравнив последовательности генов SAS и AFP III, исследователи подтвердили, что гены AFP III наиболее похожи на определённую область гена SAS-B (у рыб есть два гена SAS: SAS-A и SAS-B). Также они обнаружили в гене SAS-B сигнальную последовательность, которая с небольшими модификациями может направлять белок на секрецию из клетки. Эта же модифицированная сигнальная последовательность есть и в генах AFP III.

В отличие от ферментов SAS, которые остаются внутри клетки, белки AFP III секретируются в кровь или внеклеточную жидкость, где они могут эффективнее нарушать рост кристаллов льда.

Конфликт функций и дупликация

Анализ показал, что белки SAS функционируют как ферменты, но также обладают умеренной способностью связывать лёд. Это подтверждает старую гипотезу о том, что когда один ген начинает выполнять более одной функции, его дупликация может привести к дивергентной эволюции исходного гена и его копии.

Процесс, известный как «эскейп от адаптивного конфликта», происходит так: если ген имеет несколько функций, мутации, улучшающие одну из них, могут ослабить другие. «Исходная ферментативная функция и возникающая ледосвязывающая функция молекулы-предка SAS могли конфликтовать друг с другом», — поясняют авторы.

Когда ген SAS-B случайно дублировался, каждая из копий освобождалась от этого конфликта и могла идти своим эволюционным путём: одна сохранила ферментативную функцию, а другая усилила антифризную.

Эволюционный путь

Данные свидетельствуют, что ещё до образования гена для секретируемого антифризного белка, исходный белок SAS, по-видимому, обладал обеими функциями (ферментативной и ледосвязывающей). Это могло быть полезно на ранних стадиях развития рыб, поскольку икра оказывается в холодной среде.

Позже, после дупликации гена SAS и обособления эволюционного пути гена AFP, антифризный белок эволюционировал в секретируемую форму. Это позволило ему работать в кровотоке и внеклеточной жидкости, что максимально полезно для взрослой рыбы.

Исследование представляет собой первое чёткое доказательство с молекулярными и функциональными данными того, что «эскейп от адаптивного конфликта» лежит в основе дупликации генов и создания совершенно новой функции в одной из дочерних копий.