Эволюция генов KLF/SP: природа больше "мастерит", чем изобретает
Гены семейства Krüppel-like factor и specificity protein (KLF/SP) обнаружены у множества видов — от одноклеточных организмов до человека. Это семейство консервативно в эволюции, так как играет ключевую роль в регуляции экспрессии других генов. Изучение его истории может пролить свет на важные события в эволюции животных и молекулярные механизмы некоторых заболеваний, включая рак.
Биологи из Колледжа искусств и наук Университета Майами, изучив геномы 48 видов, выяснили время и механизмы расширения и диверсификации семейства генов KLF/SP, регулирующих поддержание стволовых клеток. Исследование показывает, что происхождение этого семейства предшествовало появлению животных более чем на 600 миллионов лет, а его расширение и рост разнообразия типов клеток у животных происходили одновременно.
"Наша работа рисует картину, в которой природа в основном инновацирует, используя функциональные части генов — "мастеря" из уже существующего молекулярно-генетического материала", — сказал Уильям Э. Браун, доцент биологии и главный исследователь.
Гены KLF/SP, как и другие белок-кодирующие гены, содержат коды для специфических комбинаций сегментов белка — доменов. Браун сравнивает ген с предложением, а домены — со словами в нём.
"Ген (предложение) обычно выполняет несколько функций, и часто каждая из них может быть связана с отдельным доменом (словом)... Именно этот набор доменов, соответствующих функциям, определяет "активность" или роль гена в клетке".
Анализ показал, что основными механизмами расширения и диверсификации семейства KLF/SP в ходе эволюции животных стали сложное пересечение:
- доменного шаффлинга (перетасовка сегментов гена, кодирующих домены, между генами),
- дупликации генов (удвоение целого гена),
- de novo эволюции доменов (появление последовательностей с новыми функциональными белковыми доменами).
Такой подход, сфокусированный на доменах, — уникальная сторона данного исследования.
"Определив независимые эволюционные траектории каждого домена, мы смогли показать, что диверсификация семейства KLF/SP сопровождалась приобретением дополнительных доменов белок-белкового взаимодействия", — сказал Джейсон С. Пресснелл, аспирант по биологии и первый автор. — "Большинство этих доменов уже присутствовали в других генах и, вероятно, были приобретены генами KLF/SP посредством рекомбинации".
Гены KLF/SP относятся к важному классу транскрипционных факторов, которые включают или выключают экспрессию других генов. Результаты показывают чёткое увеличение количества репрессорных доменов (выключающих экспрессию) по мере расширения семейства. Это расширение отражает рост разнообразия типов клеток у животных и демонстрирует, что переход от одноклеточной к многоклеточной жизни произошёл в основном за счёт "мастерения" из существующих генов.
"Это интересно, потому что поддерживает идею, что появление новых типов клеток в эволюционирующей линии организмов чаще может быть следствием выключения генов в уникальных временных и пространственных комбинациях", — отметил Браун. — "Большое количество уникальных типов клеток необходимо для развития сложных тканей и органов".
Для исследования учёные рассмотрели 48 различных геномов: от растений и одноклеточных (слизевики, грибы, хоанофлагеллаты) до ранних многоклеточных животных (гребневики, губки, медузы), беспозвоночных (насекомые, морские ежи) и позвоночных (акулы, рыбы, млекопитающие, включая человека).
"Это первое исследование, изучившее эволюционную историю семейства генов KLF/SP в таком широком масштабе", — сказал Пресснелл.
Исследование "KLF/SP transcription factor family evolution: expansion, diversification, and innovation in eukaryotes" опубликовано в журнале Genome Biology and Evolution. Соавтором является Кристин Э. Шницлер из Национального института исследования генома человека NIH. Сейчас учёные разрабатывают стратегии для оценки функций этих генов у гребневика Mnemiopsis leidyi — важной модельной системы для изучения ранней эволюции животных.