«Структура Холлидея» — промежуточный этап обмена участками гомологичных хромосом. Изображение © Daniel Brown, 2006 с сайта laughingmantis.com

У всех животных, от губок до людей, для нормального кроссинговера (обмена участками хромосом при формировании половых клеток) необходим белковый комплекс Msh4-Msh5. Единственное исключение — мухи, у которых эти белки отсутствуют. Американские генетики показали, что функцию утраченных Msh4 и Msh5 у мух взяли на себя белки семейства MCM, которые есть у всех эукариот и играют важную роль в репликации ДНК. Судя по результатам сравнительно-генетического анализа, на белок MCM8 у предков мух действовал положительный отбор, поддержавший замену многих аминокислот, в то время как у других животных этот белок весьма консервативен. По-видимому, смена функции облегчалась тем, что белки MCM, как и Msh, умеют образовывать комплексы из нескольких молекул, окружающие кольцом молекулу ДНК. Исследование показало, что даже белки, выполняющие наиболее ответственную работу в эукариотической клетке, могут менять свои функции в ходе эволюции.

Кроссинговер у эукариот почти всегда осуществляется в ходе мейоза, а иногда еще и в ходе митоза. Мейотический кроссинговер — полезная адаптация, повышающая разнообразие потомства. Благодаря кроссинговеру отбор может работать с отдельными генами, а не с целыми хромосомами, что повышает эффективность отбраковки вредных и накопления полезных мутаций. Митотический кроссинговер, напротив, явление скорее вредное, чем полезное. Он повышает уровень гомозиготности клеток, что может, в частности, стать причиной рака.

Для предотвращения митотического кроссинговера у эукариот есть специальные анти-кроссоверные белки, в том числе BLM (Bloom syndrome helicase). У людей мутации гена, кодирующего белок BLM, связаны с тяжелым наследственным заболеванием — синдромом Блума, основные симптомы которого — повышенный уровень соматической рекомбинации и хромосомная нестабильность.

Во время мейоза анти-кроссоверную активность BLM необходимо подавить, чтобы мейотический кроссинговер прошел нормально. Этим занимается белковый комплекс Msh4-Msh5. Его работа лучше всего изучена у дрожжей (Nishant et al., 2010. Genetic Analysis of Baker's Yeast Msh4-Msh5 Reveals a Threshold Crossover Level for Meiotic Viability). Гены Msh4 и Msh5 есть у всех животных, по которым имеются соответствующие геномные данные — от губок и трихоплакса до человека. Единственное исключение — мухи из группы Schizophora, в которую входят (из организмов с прочтенными геномами) дрозофилы и муха цеце.

Хотя у мух нет генов Msh4 и Msh5, мейотический кроссинговер у них всё же происходит. Правда, только у самок. Отсутствие кроссинговера у самцов — вторая уникальная особенность дрозофил и мухи цеце. Напрашивается предположение, что обе особенности как-то связаны друг с другом. Так ли это, покажут будущие исследования. А для начала хотелось бы понять, почему у самок мух мейотический кроссинговер всё-таки есть, несмотря на то, что мухи утратили гены, используемые всеми остальными животными для подавления анти-кроссоверной деятельности BLM.

В поисках ответа на этот вопрос генетики из Университета Северной Каролины обратили внимание на известные у дрозофил мутации, нарушающие мейотическую рекомбинацию. Мутации трех генов (MCM8, mei-217 и mei-218) у самок дрозофил нарушают кроссинговер примерно так же, как у дрожжей — мутации Msh4 и Msh5. Не значит ли это, что перечисленные три гена у мух взяли на себя функцию утраченных Msh4 и Msh5? И если так, то откуда они взялись, каково их происхождение?

Исследователи решили начать со второго вопроса. С белком MCM8 всё понятно: этот белок есть почти у всех животных (исключение — нематоды Caenorhabditis). Вместе с другими белками семейства MCM он участвует в репликации ДНК. Шесть белков из этого семейства (от MCM2 до MCM7) образуют гетерогексамер — комплекс из шести белковых молекул в форме кольца, окружающего ДНК. Комплекс обладает хеликазной активностью: он помогает двойной спирали правильным образом раскручиваться в ходе репликации. MCM8, по-видимому, тоже в этом участвует, взаимодействуя с другими MCM-белками.

Любопытно, что Msh4 и Msh5 — утраченные мухами активаторы мейотического кроссинговера — тоже образуют кольцевой комплекс вокруг ДНК. Это согласуется с идеей о том, что некоторые белки MCM могли взять на себя функцию потерянных Msh4 и Msh5. Еще один аргумент в пользу того, что такая смена функций могла произойти, состоит в том, что белкам MCM свойственна полифункциональность: они не только обслуживают репликацию, но и выполняют ряд других задач по поддержанию целостности и стабильности генома (Forsburg, 2004. Eukaryotic MCM Proteins: Beyond Replication Initiation).

Понять происхождение двух других белков, необходимых мухам для нормального кроссинговера (MEI-217 и MEI-218), оказалось труднее. На первый взгляд, они ни на что не похожи: простое сравнение их аминокислотной последовательности с другими белками не выявило никаких гомологий. Тогда авторы обратились к более изощренным методам анализа пространственной структуры белков. Это позволило всё-таки обнаружить сходство: оказалось, что оба белка по своей структуре близки к семейству MCM. Скорее всего, оба они произошли от одного и того же MCM-подобного белка.

Установив это, авторы присвоили трем мушиным белкам, необходимым для мейотического кроссинговера (MCM8, MEI-217 и MEI-218) общее наименование mei-MCM — для удобства, чтобы отделить MCM-белки, функционирующие у мух при мейозе, от тех, что участвуют в репликации. Затем они проверили, способны ли mei-MCM взаимодействовать друг с другом, образуя комплекс — и это подтвердилось. Логично, что белки, заменившие потерянный комплекс Msh4-Msh5, тоже умеют объединяться. Правда, образуют ли они кольцо, замыкающееся вокруг двойной спирали ДНК, или, может быть, полукольцо, пока не установлено. Скорее всего, в состав комплекса входит также белок MCM5, совмещающий эту работу с участием в репликации.

Наконец, исследователи приступили к решающей проверке предположения о том, что три мушиных MCM-белка взяли на себя функцию ингибитора анти-кроссоверного белка BLM взамен утраченного комплекса Msh4-Msh5.

Авторы справедливо рассудили, что если это предположение верно, то отключение BLM должно восстанавливать нормальный мейотический кроссинговер у мух с неработающими mei-MCM. Именно так обстоит дело у дрожжей: утрата Msh4 или Msh5 нарушает мейотический кроссинговер, но если отключить еще и BLM, то кроссинговер восстанавливается.

У мух всё оказалось точно так же. У самок с отключенными mei-MCM мейотический кроссинговер серьезно нарушен, но если BLM тоже отключить, рекомбинация при образовании яйцеклеток снова становится практически нормальной.

Этот результат уже позволяет считать гипотезу более или менее доказанной. Но авторы провели еще одну дополнительную проверку. Если у белков под действием отбора действительно произошла смена функции, то в мушиных геномах должны быть характерные следы, оставляемые положительным отбором полезных мутаций. Наиболее типичный из таких следов — повышенное соотношение несинонимичных (значимых) и синонимичных нуклеотидных замен (dN/dS). Если на данный белок-кодирующий ген действовал положительный отбор (часть значимых мутаций оказалась полезной и была поддержана отбором), то этот показатель, скорее всего, будет больше единицы. Значения, близкие к единице, указывают на нейтральную эволюцию, меньшие — на очищающий отбор (большинство значимых замен оказывались вредными и отсеивались ).

Авторы построили филогенетическое дерево для белков MCM8 разных эукариот и определили величину dN/dS для отдельных ветвей этого дерева (см. рисунок). Анализ показал, что белок MCM8 действительно находился под действием сильного положительного отбора у предков Schizophora (группы мух, к которой относятся дрозофилы и цеце). Еще один период закрепления полезных мутаций был уже после обособления рода Drosophila у предков одной из подгрупп этого рода.

По мнению авторов, возможно несколько сценариев перехода функции контроля над мейотическим кроссинговером от Msh4-Msh5 к mei-MCM. По-видимому, белок MCM8 оказывал небольшое положительное влияние на интенсивность мейотического кроссинговера еще у предков мух. В дальнейшем эта функция MCM8 стала усиливаться под действием отбора, что могло быть связано либо со случайным закреплением мутаций, снизивших функциональность Msh4-Msh5, либо с потребностью в более интенсивной мейотической рекомбинации. По мере усиления новой функции белка MCM8 комплекс Msh4-Msh5 мог стать избыточным и потеряться за ненадобностью (или в связи с тем, что нужда в усиленной рекомбинации отпала). На последнем этапе функциональность MCM8 дополнительно увеличилась за счет того, что он стал образовывать комплекс с MEI-217 и MEI-218.

Один из возможных сценариев замещения комплекса Msh4-Msh5 комплексом MCM8-MEI-217-MEI-218. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Таким образом, исследование показало, что даже белки, выполняющие наиболее «ответственную» работу по обслуживанию аппарата наследственности, иногда меняли свои функции в ходе эволюции эукариот.

Источник: ЭЛЕМЕНТЫ