Ученые из института медицинских исследований Стоуэрса определили несколько вариаций аминокислотной последовательности, критически важной для сохранения наследственной функции гена в течение 600 миллионов лет эволюции, сообщает портал Phys.org.
Прорывное открытие, подробно описанное в статье, опубликованной 12 ноября 2020 г. в журнале Genes and Development, предлагает важное понимание эволюции генных регуляторных сетей, которые определяют разнообразие организмов, и показывает, что небольшие различия в ключевых последовательностях белков могут привести к важным эволюционным изменениям.
«Обычно считается, что дупликация и дивергенция генов позволяют им брать на себя новые функции, в то время как основные гены сохраняются и остаются неизменными в процессе эволюции», – говорит исследователь Стоуэрса Робб Крумлауф, доктор философии. «Но как изменение белков, строительных блоков жизни, влияет на этот процесс, остается неясным». Лаборатория Крумлауфа в институте Стоуэрса использовала межвидовой функциональный анализ лабиального гена Hox у плодовой мушки и родственных генов у мышей, чтобы изучить этот вопрос.
В исследовании использовались современные технологии редактирования генов, включая CRISPR/CAS9, для замены лабиального гена Hox у плодовой мушки на три родственных гена мыши – HOXA1, B1 и D1. Исследователи обнаружили, что замена лабиальной функции на HOXA1 у плодовых мушек восстанавливает ее первоначальную функцию, а B1 и D1 – нет. Предполагается, что A1 сохраняет предковую функцию, в то время как B1 и D1 содержат другие данные. «За 600 миллионов лет эволюции только один ген сохранил наследственную активность», – говорит Нарендра Пратап Сингх, доктор философии, старший научный сотрудник лаборатории Крумлауфа и соавтор статьи. «Остальные гены эволюционировали и взяли на себя новую функцию».
Исследователи определили последовательность из шести аминокислот, критическую для наследственной функции A1, которая важна для модуляции взаимодействий с другими белками. Удивительным оказался тот факт, что последовательность составляет только 2% от общего количества аминокислот в белке, предполагая, что крошечные различия в определенных ключевых областях могут иметь большое влияние на функцию белка. «Тонкие и кажущиеся безобидными различия в последовательности белков могут серьезно повлиять на ход эволюции», – говорит исследователь Стоуэрса Каусик Си, доктор философии, еще один соавтор исследования. «Кроме того, в эволюции функции белков мы склонны сосредотачиваться на том, что сохраняется. Это исследование предлагает нам начать обращать внимание на небольшие различия, потому что некоторые из наиболее интересных биологических аспектов скрыты в этих крошечных различиях».
У мышей HOXB1, по-видимому, эволюционировал, чтобы иметь новую функцию у позвоночных, чтобы обеспечить большее разнообразие мимики и пищевого поведения, не обнаруживаемого у беспозвоночных. Мутации в B1 у мышей и людей влияют на морфологию лица, развитие нейронов и нервную функцию. У людей синдром Мебиуса, неврологическое состояние, которое приводит к отсутствию мимики, иногда ассоциируется с мутациями гена B1.
Исследование основано на более чем трех десятилетиях работы с Hox-генами, семейством генов «мастер-планировщиков», которые контролируют расположение развивающегося эмбриона от головы до хвоста. Основополагающее открытие Крумлауфа о том, что гены Hox по существу одинаковы у мышей и плодовых мушек, помогло установить идею о том, что существует общий набор генетических инструментов и что многие организмы имеют удивительно похожие гены. Лабораторные сравнительные исследования мышей, цыплят и рыбок данио, а в последнее время и морской миноги, продолжают предоставлять важную информацию о том, как разные виды используют один и тот же генетический набор для формирования различных структур. Факторы транскрипции Hox хорошо подходят для исследования дупликации и дивергенции генов из-за их распространения от беспозвоночных до млекопитающих.
Работа открывает путь для дополнительных исследований эволюции активности белка, а также дальнейшего изучения роли консервативных генов инструментальных средств после дупликации и дивергенции генов. «Я думаю, что мы готовы использовать новые сильные стороны структурной биологии, функционального анализа и геномной инженерии», – говорит Крумлауф. «Мы действительно можем спросить: «Сохраняется ли эта роль у других беспозвоночных? Действительно ли этот ген или белок делают то же самое, или он развил совершенно новые функции?» Я думаю, что теперь возможна новая эра анализа благодаря силе редактирования генов».
