Перспективы отбора. От зелёных пеночек и бессмысленного усложнения до голых землекопов и мутирующего человечества

Эти результаты (а также другие экспериментальные данные, но о них мы умолчим, чтобы не пришлось добавлять к этой главе четвертый значок «мозг») показали, что вскоре после дупликации две копии исходного гена, кодирующего белок AncMADS, накопили мутации, которые привели к частичной потере функциональности паралогичными белками. Один из них (AncMcm1) утратил способность соединяться с кофактором Arg81, а другой (AncArg80) разучился связываться с кофактором Matα1 (рис. 18.3).

Удалось найти и конкретные аминокислотные замены, изменившие структуру «кофактор-связывающего кармана» белковой молекулы, что и привело к частичной утрате функциональности. AncMcm1 потерял способность взаимодействовать с Arg81 из-за одной замены, которая была унаследована всеми современными вариантами белка Mcm1 «постдупликационных» дрожжей (то есть пекарских и их ближайшей родни). AncArg80 лишился способности взаимодействовать с Matα1 из-за трех других аминокислотных замен (которые тоже передались современным потомкам этого белка).

рис. 18.3. Частичная утрата функциональности паралогичными белками (у пекарских дрожжей). По рисунку из Baker et al., 2013.

Эти результаты показывают, что разделение функций между паралогами было основано на субфункционализации, то есть частичной утрате разных аспектов исходной функции двумя копиями удвоившегося гена. Многие теоретики и раньше считали такой сценарий разделения функций наиболее вероятным.

Сразу после удвоения гена мутация в одной из его копий не приносит вреда и не отсеивается отбором, даже если нарушает функциональность, — ведь остается вторая копия, успешно справляющаяся с той работой, которую больше не может выполнять первая. Но как только одна из копий утратит какую-то функцию, отбор уже не допустит подобной потери второй копией, ведь организму необходима хоть одна работающая версия гена. Что, впрочем, не мешает второй копии потерять другую функцию, пока еще сохранившуюся у первой. Если это произойдет, копии перестанут быть «избыточными». Теперь ни одна из них не может быть утрачена без резкого снижения приспособленности (а значит, отбор не позволит им потеряться). В итоге вместо одного «неразборчивого», многофункционального белка организм получает два специализированных.

Самое интересное, что такое усложнение молекулярной организации вовсе не обязано быть «полезным», то есть повышать приспособленность организма. Вполне возможно, что после дупликации и разделения функций организм будет чувствовать себя ничуть не лучше, чем до этих событий. Например, в описанных экспериментах дрожжи, у которых специализированные белки Mcm1 и Arg80 были заменены на предковый универсальный AncMADS, росли не хуже обычных. В отдаленной перспективе дупликация и субфункционализация могут открыть новые эволюционные возможности, ведь две копии исходного гена (и их функции) теперь имеют право эволюционировать более или менее независимо. Но естественный отбор ничего не знает об отдаленных перспективах, он ориентируется только на «здесь и сейчас». Усложнение молекулярной организации в данном сценарии — лишь побочное (хотя и закономерное) следствие случайного удвоения гена.

Не остановившись на достигнутом, ученые решили проверить гипотезу, согласно которой после удвоения многофункциональных белков, таких как AncMADS, вовлеченных к тому же в сложную сеть взаимодействий с другими белками, возникшие паралоги могут конфликтовать и мешать друг другу работать. Например, новообразовавшийся паралог AncArg80, разучившийся взаимодействовать с кофактором Matα1, мог бы по ошибке присоединяться к регуляторной области генов α, занимая то место на ДНК, куда должен прикрепляться другой паралог, AncMcm1. В результате регуляция генов α оказалась бы нарушена. Если такой конфликт между паралогами действительно когда-то существовал, то в дальнейшем отбор должен был поддержать и закрепить мутации, снижающие его остроту.

В поисках подобных мутаций исследователи обратили внимание на ту часть молекулы AncArg80, которая отвечает за присоединение белка к ДНК. Здесь обнаружилось пять аминокислотных замен, делающих связь белка с ДНК менее прочной. Может быть, именно благодаря этим заменам белок AncMcm1 и его потомки, сохранившие способность крепко цепляться за ДНК, и одерживают верх над Arg80 в конкуренции за право присоединиться к регуляторной области генов α? Чтобы проверить эту смелую гипотезу, ученые сконструировали версию AncArg80, лишенную вышеупомянутых пяти замен в ДНК-связывающей области. Ген этого белка внедрили в геном дрожжей вместо изъятого оттуда гена Arg80. Результат подтвердил ожидания исследователей: у модифицированных дрожжей регуляция генов α оказалась полностью нарушена. Когда пять мутаций вернули на место, гены α снова заработали нормально.