Большинство структурных и регуляторных генов у эукариот являются членами генных семейств. В ходе эволюции некоторые повторяющиеся гены недолговечны, теряют функциональность и в конечном итоге удаляются.
Однако некоторые дубликаты сохраняются и различаются по функциям. Особая проблема состоит в том, чтобы понять, как возникло это разнообразие, и сыграл ли естественный отбор свою роль?
Чтобы ответить на эти вопросы, старший преподаватель Сяо-Ру Ван и его коллеги изучили сигнатуру отбора среди членов большого семейства генов, глутатион-S-трансферазы (GST) в геноме сосны. Считается, что белки GST действуют при детоксикации ксенобиотиков и в ответ на биотический и абиотический стресс. Учитывая разнообразие потенциальных ксенобиотиков и стрессоров в истории жизни высших растений, разумно предположить, что наличие разнообразных функций GST является адаптивным.Исследователи провели серию мутаций в обнаруженных положительно выбранных аминокислотных сайтах и дополнительно исследовали структурные и функциональные особенности полученного белка по сравнению с его диким типом.
Они обнаружили, что большинство идентифицированных положительно выбранных сайтов в GST сосны оказывают значительное влияние на функцию фермента, а аминокислотные замены, накопленные членами GST, расширяют его субстратный спектр и активность в организме. Это говорит о том, что давление отбора частично стимулировало адаптивную эволюцию этого семейства белков. Исследование также показало, что положительный отбор чаще действует на остатки, прилегающие к критическому активному центру фермента, а не непосредственно на него, и на гибкие области, а не на жесткие структурные элементы белка.
«Этот паттерн может быть общим механизмом функциональной диверсификации семейств ферментов, поскольку он позволяет приобретать новые функции без нарушения естественной складчатой структуры и основной функции фермента», — говорит Сяо-Ру Ван, старший преподаватель кафедры экологии и окружающей среды. Наука в университете Умео.
Понимание механизмов, которые расширяют функциональное разнообразие белков, важно для понимания фенотипического разнообразия организмов и их генетических систем. В природе выгодным аминокислотным заменам может способствовать положительный отбор, но общее структурное распределение положительно выбранных мутаций и их влияние на функцию белка остаются плохо изученными.
«В настоящее время мы проводим серию совместных исследований по эволюции семейств генов и адаптационной геномике растений с коллегами из Китайской академии наук, и мы ожидаем более значительных результатов от этого сотрудничества», — говорит Сяо-Ру Ван.Исследование финансировалось Китайским фондом естественных наук и Шведским исследовательским советом.