У Барселоні вивчили 16 висококонсервативних білків «домашнього господарства». Керував дослідженнями Федір Кондрашов, робота опублікована в Nature.
Термін «епістаз» був введений Вільямом Бетсоном (William Bateson) близько 100 років тому для опису виявлених ним відмінностей у передбачуваному і реально спостережуваному розщепленні фенотипів при дигібридному схрещуванні. А саме, в генетичних експериментах спостерігалися не всі теоретично передбачені класи фенотипів або ж деякі генетичні комбінації призводили до появи нових фенотипів, які не збігалися з очікуваними. Дані спостереження можна було пояснити тільки тим, що при певних комбінаціях алельні варіанти різних генів взаємодіють один з одним, і фенотипічні ефекти деяких з них займають більш високий ієрархічний ранг. Такі мутації, переважні або повністю блокуючі фенотипічні прояви інших, називаються епістатичними, тоді як блоковані ними мутації - гіпостатичними.
Протягом наступних років застосування терміну «епістаз» генетиками поширилося практично на всі складні взаємини між генетичними локусами, а сам термін набув кількох значень. В основному це поняття застосовувалося для опису трьох класів феноменів: функціональних взаємин між генами і кодованими ними білками (тобто у значенні, найбільш близькому до первісного), ієрархічної генетичної організації регуляторних молекулярних каскадів і статистичних відмінностей в алель-специфічних фенотипічних ефектах. Як не дивно, відмінності у визначенні терміну «епістаз» практично не призвели до конфліктів у літературі, багато в чому завдяки тому, що генетики різних областей біології ефективно ігнорували дослідження один одного. Молекулярні генетики вивчають, як певні фенотипічні ефекти реалізуються в складних регуляторних молекулярних мережах, в той час як еволюційні генетики на основі статистичного опису генетичної мінливості намагаються визначити конкретні мутації, відповідальні за адаптивну еволюцію.
Тим не менш, незважаючи на сформовані розбіжності в конкретних визначеннях епістазу, останнім часом стало очевидним, що елементи всіх клітинних, фізіологічних та еволюційних систем знаходяться один з одним в настільки складних взаєминах, що фундаментальна концепція епістаза є більш актуальною, ніж коли-небудь, і саме вона може стати основою для об'єднання традиційно різних областей генетики. Одним з наслідків такого «системного підходу», що об'єднує методи і області інтересу молекулярної та еволюційної генетики, стає перегляд значущості епістаза в еволюційних процесах.
Раніше епістаз розглядався як важливий фактор, що впливає на багато еволюційних феноменів, включаючи генетичну дивергенцію видів, еволюцію статевого розмноження і еволюцію організації генетичних систем. Одне з найбільш інтригуючих питань еволюційної біології полягало в тому, чи може епістаз визначати шляхи еволюційних змін. Іншими словами, якщо епістаз має важливий вплив на еволюційні процеси, то адаптивні властивості (позитивні або негативні) кожної нової мутації будуть залежати від того, які мутації даний геном вже встиг накопичити. У разі однієї «мутаційної історії» одна і та ж мутація може мати позитивний адаптивний характер (і тоді вона з високою ймовірністю буде закріплена відбором), а в разі іншого набору попередніх мутацій ця ж мутація стане негативною (і з високою ймовірністю буде елімінована відбором). Таким чином, під впливом епістазу еволюційні зміни можуть йти тільки за певним набором напрямків, а мутації «не відповідають» цим напрямкам будуть елімінуватися.
Традиційно еволюційні дослідження епістаза були сфокусовані на взаємодіях окремих генетичних локусів. Сучасні ж підходи системної біології акцентують свою увагу на функціональних дослідженнях взаємодії мутацій в межах індивідуальних білків. І саме такий підхід дозволив вченим поглянути на роль епістаза в еволюції по-новому.
Останнє дослідження фахівців Центру геномної регуляції в Барселоні під керівництвом нашого співвітчизника Федора Кондрашова, завідувача лабораторією еволюційної геноміки, не тільки підтвердило надзвичайну важливість епістаза в еволюційних процесах, але і показало, що його вплив на молекулярну еволюцію може бути воістину колосальним. Результати дослідження опубліковані в останньому номері журналі Nature.
Фактори, що визначають швидкість і напрямок молекулярної еволюції, продовжують залишатися одним з основних питань еволюційної біології. Спочатку вважалося, що ті чи інші амінокислотні заміни (мутації) закріплюються в геномі виключно під впливом відбору. Потім, після появи нейтральної теорії еволюції, стало ясно, що таке закріплення може відбуватися і в результаті генетичного дрейфу, і багато досліджень того часу фокусувалися на з'ясуванні «питомої ваги» відбору і дрейфу в еволюційних процесах. Сьогодні фахівці сходяться на думці, що обидва цих процеси відіграють важливу роль, і саме вони забезпечують фіксацію всіх амінокислотних замін (в результаті нейтральних або позитивних мутацій) в ході еволюції.
У разі епістазу, будь-яка мутація, нейтральна або позитивна в одному генетичному оточенні, може виявитися негативною (шкідливою для носія) в іншому. І оскільки епістаз, таким чином, впливає на швидкість і можливі напрямки молекулярної еволюції, знання поширеності цього ефекту надзвичайно важливо для розуміння довготривалих механізмів еволюції білків. До теперішнього ж часу, кількісна оцінка поширеності епістазу не проводилася.
Для реалізації кількісного аналізу епістаза в білковій еволюції автори розробили унікальний біоінформатичний метод, що дозволяє оцінити, яка частина амінокислотних замін, що мають місце в одного виду, буде допустима (тобто, не набуде негативного характеру) для ортологічних (тобто, філогенетично споріднених, що відбулися від загального предка) ділянок білків іншого виду.
В якості об'єкта дослідження були обрані 16 висококонсервативних білків, що виконують добре відомі ключові функції в клітці (так звані, хаускіпінг-білки або білки «домашнього господарства»): 13 мітохондріальних білків, 2 білки, що кодуються ядерним геномом, і 1 білок хлоропластів. Шляхом множинного вирівнювання було проаналізовано понад 1000 ортологічних послідовностей цих білків, що належать еволюційно найбільш різним і віддаленим групам організмів. На підставі цього вирівнювання визначався показник «використання амінокислот», як число різних амінокислот, присутніх в одній і тій же ділянці ортологічних генів.
В результаті глобального аналізу, автори виявили, що серед усіх досліджених генів середній показник використання амінокислот становить менше 9. Іншими словами, в кожному з ортологічних генних локусів в середньому зустрічається 8 різних амінокислот.
У тому випадку, якщо б амінокислотні заміни закріплювалися в ході еволюції тільки позитивним відбором без епістаза, середній показник повинен би становити дві п'ятих від числа всіх можливих амінокислот, а середня швидкість амінокислотних замін, таким чином, повинна бути на три п'ятих нижче, порівняно з такою при нейтральній еволюції. Однак дані авторів показали, що спостережувана швидкість амінокислотних замін в ході відносно недавніх етапів еволюції майже в 20 разів нижче, ніж це повинно спостерігатися при нейтральній еволюції, і на порядок нижче, ніж при позитивному відборі за відсутності епістаза.
Іншими словами, результати дослідження показують, що епістаз є абсолютно первинним фактором білкової еволюції. Близько 90% всіх мутацій, що призводять до амінокислотних замін, набувають нейтрального або позитивного адаптивного характеру тільки в тому генетичному оточенні, де вони відбуваються. Якщо ці ж мутації відбудуться в гомологічних ділянках геному інших видів, у 90% випадків їх вплив на адаптивність буде шкідливим.
Коли незабаром епістаз відіграє таку значущу роль у процесі довготривалої молекулярної еволюції, подальші зусилля, на думку авторів, повинні бути спрямовані на з'ясування цілої низки фундаментальних питань, що стосуються цього явища, зокрема, поширеності внутрішньонних і міжгенних епістатичних взаємодій і молекулярних механізмів епістатичної регуляції геному. Нарешті, може бути і в короткочасних еволюційних процесах вплив епістаза не менш значно?
Джерело: Michael S. Breen, Carsten Kemena, Peter K. Vlasov, Cedric Notredame & Fyodor A. Kondrashov. Epistasis as the primary factor in molecular evolution. Nature 490, 535–538 (25 October 2012) doi:10.1038/nature11510