Эволюция при сохранении устойчивости: как регуляторные белки адаптируются к мутациям
Раньше считалось, что генетическая судьба определяется ДНК и генами. Однако не менее важна регуляция экспрессии генов — именно она позволяет организмам реагировать на окружающую среду. У бактерий за включение и выключение генов отвечают специальные белки, которые связываются с определёнными участками ДНК — промоторами. Каждая такая связка (белок–промотор) — это элемент сложной генно-регуляторной сети. Как эти сети могут эволюционировать, оставаясь стабильными?
В исследовании, опубликованном в Nature Ecology and Evolution, учёные из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) и Университета Ливерпуля изучили, как меняются отдельные регуляторные связи в сети.
Локальный подход к эволюции сети
Вместо изучения сети в целом команда сосредоточилась на её элементах. Они исследовали два репрессора (белки, подавляющие экспрессию генов) и их промоторы. Учёные вводили мутации в промоторы и наблюдали, как это влияет на связывание с репрессорами.
Репрессоры могут реагировать на мутации двумя способами:
- Устойчивость (robustness) — мутации почти не влияют на связывание.
- Эволюционируемость (evolvability) — белок легко приобретает способность связываться с новыми промоторами.
Казалось бы, эти свойства взаимоисключающие: чем белок устойчивее, тем хуже он должен реагировать на изменения.
Неожиданный результат и его объяснение
Сравнив два репрессора, исследователи обнаружили парадокс: более устойчивый репрессор легче приобретал связывание с новыми промоторами.
Чтобы объяснить это, команда разработала биофизическую модель, основанную на термодинамике связывания белка с ДНК. Модель позволила выделить два типа репрессоров:
- Локальные (local) — высокоспецифичные, связываются только с несколькими промоторами и с трудом осваивают новые.
- Глобальные (global) — "неразборчивые" (promiscuous). Они сохраняют связывание с сильно мутировавшим промотором и при этом легко начинают связываться с новыми сайтами.
Таким образом, некоторые белки в регуляторных сетях могут сочетать устойчивость и эволюционируемость, что обеспечивает стабильность сети при её адаптации к изменениям.