Divergence in expression of PHO3, 5, 11, 12 paralogues yeasts is the mechanism guiding the evolution of multigene families

Cover Page

Abstract


This review considers evolution of multigene families based on the example of the PHO gene family, which encodes acid phosphatases. An analysis of databases revealed that the divergence of regulation of structural genes transcription and their involvement in novel regulatory pathways, is the main direction in evolution of multigene families.

Введение В основе эволюционной пластичности организмов и появления новых функций лежит формирование новых генов. Гены могут возникать в результате дупликации и последующей дивергенции генов-предшественников (Ohno, 1991), «перетасовки» экзонов, слияния генов, ретротранспозиции при участии мобильных элементов, латерального переноса генов, а также за счет возникновения генов de novo из некодирующих последовательностей, хотя доля последних и несущественна (Tsai et al., 2012). Ведущую роль в этом процессе играют дупликации. Обычно рассматривают два типа дупликаций: сегментные (от нескольких нуклеотидов до нескольких т. п. о.) и геномные (полиплоидия), которые вносят различный вклад в эволюционный процесс. Сегментные дупликации встречаются в процессе эволюции эукариот довольно часто (Levasseur Pontarotti, 2011), тогда как удвоение всего генома происходит реже, хотя считается, что именно этот тип дупликаций - причина основных преобразований в эволюции (van Hoek, Hogeweg, 2009). В процессе эволюции полиплоидия возникала у растений (Arabidopsis thaliana - 3 события за последние 150 млн лет), костных рыб, грибов. Возникновение новых генов за счет дупликаций кажется очевидным. Однако дальнейшую судьбу дупликации будет определять механизм ее возникновения. Если удваивается отдельный ген, продукт которого вовлечен в большую белковую сеть, то произойдет увеличение отдельной ферментативной активности или повышение уровня определенного структурного белка, что может нарушать равновесие в устоявшихся белковых сетях. В этом случае отбор будет действовать против дупликации. При дупликации всего генома такого противоречия не возникает, поэтому такие дупликации сохраняются (Fares et al., 2013). К сохранению дуплицированных генов могут привести следующие процессы (Force et al., 1999): 1. Инактивация одной из копий вследствие накопления мутаций, образование псевдогенов (nonfunctionalization). Это наиболее частый и быстрый способ (Lynch, Conery, 2000). 2. Приобретение одной из копий новых выгодных функций и их сохранение путем естественного отбора (neofunctionalization). При этом другая копия сохраняет свою основную функцию. 3. Накопление мутаций в цис-регуляторных областях обеих копий и их экспрессия в разных условиях (subfunctionalization) (Levasseur, Pontarotti, 2011). Примером подобного видообразования являются также дрожжи Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces castellii, возникшие в результате дупликации генома предковой формы и последующей дивергенции (Albertin, Marullo, 2012). Как правило, образование новых видов после удвоения генома в ходе эволюции происходит либо с восстановлением гаплоидности, либо с сохранением диплоидности, но при этом происходит потеря многих дуплицированных генов. Так, сахаромицеты сохранили двойной набор хромосом n = 16, а Saccharomyces castellii восстановили гаплоидный набор n = 9 (Cliften et al., 2005). Дрожжи S. cerevisiae являются исключительно удобным модельным организмом для решения проблем экологии и эволюции. Известно, что в процессе адаптации дрожжей к стрессорным факторам наблюдается значительное изменение протеома (Kroll et al., 2013). Это происходит за счет изменения регуляции транскрипции, дупликации структурных генов, диплоидизации всего генома или удвоения конкретных хромосом. Было обнаружено, что в процессе культивирования диплоидных дрожжей при повышенной температуре в течение более 300 поколений в популяции возрастает доля клонов с трисомией по хромосоме III, содержащей ген HSP30. После восстановления нормальной температуры, постепенно восстанавливается дисомия. В некоторых случаях были обнаружены дупликации сегментов хромосомы IV, содержащей гены HSP78, HSP31, SSB, которые кодируют белки теплового шока (Yona et al., 2012). Таким образом, резкое повышение количества продукта может быть выгодно в стрессорной ситуации, но по мере исчезновения таковой, избыток белка не выгоден и ген элиминируется. У S. cerevisiae после удвоения генома и последующей потери генов сохранилось около 500 парных генов, и существуют семейства паралогов, которые «пережили» первый сложный период после дупликации, сохранились и оказались востребованными в дальнейшем. Основным условием сохранения таких генов является отсутствие строгого давления естественного отбора. Только в этом случае в течение определенного времени могут сохраниться все варианты. Секреция продукта на поверхность клетки дрожжей ослабляет действие отбора, поэтому обнаружены мультигенные семейства генов, кодирующих переносчики глюкозы, кислые фосфатазы (КФ) и инвертазу. Кислые фосфатазы дрожжей и адаптивные возможности клетки Структурные гены КФ РНО3, РНО5, РНО11 и РНО12 дрожжей S. cerevisiae возникли в результате дупликации предкового гена (Venter, Horz, 1989). В процессе эволюции структурная часть генов и, соответственно, ферментативная функция сохранились практически неизмененными, но дивергенция цис-регуляторных областей структурных генов привела к включению паралогов в новые регуляторные сети. Кислые фосфатазы дрожжей - физико-химические свойства и функции Неспецифические КФ дрожжей-сахаромицетов представлены несколькими изозимами, число которых варьирует у разных штаммов (Venter, Horz, 1989). На первом этапе исследований ферменты классифицировали по наличию или отсутствию синтеза в средах, содержащих неорганический фосфат. Была выявлена группа ферментов, синтез которых подавлялся добавлением в среду неорганического фосфата (Pho5p, Pho11p, Pho12p), и фермент Pho3p, синтез которого не зависел от концентрации фосфата (Toh-E et al., 1975). Интересно, что репрессирующая концентрация фосфата различна у лабораторных штаммов разного происхождения. Синтез рКФ у штаммов Петергофской генетической коллекции подавляется при 250 мг/л неорганического фосфата, тогда как у штаммов GRF18 и S288C ингибирование синтеза рКФ происходит только при 1000 мг/л (Sambuk et al., 2011). КФ являются экзоферментами, локализуются в периплазматическом пространстве и представляют собой гликопротеины с молекулярной массой более 200 кДа. Молекулярная масса дегликозилированных пептидов составляет 57 кДа (Saccharomyces genome database). В клетке белок Pho5p обнаружен в виде димера (Mizunaga et al., 1988), а в периплазматическом пространстве КФ представлен как олигомерный энзим, состоящий из Pho5p, Pho11p и Pho12p (Shnyreva et al., 1996). Все рКФ дрожжей имеют высокую степень идентичности по аминокислотной последовательности до 87 % (Meyhack et al., 1982), но есть некоторые различия по физико-химическим свойствам. В частности, кКФ штаммов Петергофской генетической коллекции является более термостабильным ферментом по сравнению с формами рКФ: при 40 °С сохраняется 100 % активности Pho3p, тогда как рКФ Pho5p теряет 60 % активности в течение 15 минут, а Pho10p, Pho11p почти неактивны при этой температуре. Оптимум рН для Pho3p (3,7-3,8), для Pho5p и Pho11p - pH 4,6. Как видно, кКФ более устойчива к стрессорным факторам - закислению среды и повышению температуры (Sambuk et al., 2011). Субстратами для КФ являются различные фосфорорганические соединения. Кроме того, все КФ являются фитазами. Фитиновые кислоты, или фитаты, представляют собой кальциевые и магниевые соли инозитолгексафосфорной кислоты. Фитазы (мио-инозитолгексакисфосфатфосфогидролазы) катализируют освобождение фосфатов из фитиновых кислот, которые являются основной запасной формой фосфора в злаках, бобах и орехах (Савинов и др., 2007). В условиях дефицита неорганического фосфата функцией КФ является обеспечение клетки фосфатом за счет расщепления фосфорорганики. В этом отношении особняком стоит Pho3p, основным субстратом которой является тиаминдифосфат. Функция этого фермента - обеспечение клетки тиамином в условиях его дефицита, а не фосфатом, так как его и так достаточно в среде. Биологическая необходимость кКФ для дрожжей неочевидна. Промышленные штаммы дрожжей генетически нестабильны в отношении кКФ. При культивировании в полной среде от 0,3-1 % клонов теряют активность кКФ, либо из-за точковых мутаций, либо в результате делеции промежуточной области, затрагивающей и ген РНО5, и ген РНО3. Такие мутации возникают за счет выпетливания гена РНО3. Интересно, что ранее такие мутации были обнаружены у ПГЛ - штамм 93-1-Г-П188 синтезировал только КФ3 и содержал делецию промежуточной области гена (Малкова, неопубл.). Отсутствие активности кКФ не влияет на спиртовое брожение. У промышленных штаммов дрожжей, используемых в производстве саке, как правило, нет кКФ (Takashita et al., 2013). Возможно, это связано с высоким содержанием тиамина в рисе, который используется для производства саке. Гены КФ возникли в результате дупликации предкового гена Гены, кодирующие КФ дрожжей, представлены в геноме несколькими копиями, количество которых варьирует в зависимости от происхождения штамма. Структурным геном кКФ является ген РНО3, локализованный в правом плече хромосомы II и тесно сцепленный с геном основной фракции рКФ - РНО5 (Toh-E et al., 1975). Гены РНО11 и РНО12 локализованы в теломерных областях I и VIII хромосомах, соответственно (Venter, Horz, 1989; de Steensma et al., 1989). Происхождение дупликаций различно. Гены РНО3 и РНО5 являются тандемной дупликацией, а структурные гены РНО11 и РНО12 были дуплицированы в составе сегмента, включающего гены YAR073W, YAR071W, YAR070C, YAR069C на первой хромосоме и YHR216W, YHR215W, YHR214C-B, YHR214C-D - на хромосоме VIII (Katju et al., 2009). Следует отметить, что близость генов РНО11 и РНО12 к теломерам приводит к повышенной рекомбинации и утрате этих генов. Поэтому при анализе нескольких лабораторных штаммов все 4 гена были обнаружены лишь у немногих, в их числе S288C (Venter, Horz, 1989). Считают, что РНО5 или РНО3 служили донорами для создания новых генов. Аналогичная ситуация характерна и для генов SUC, кодирующих секреторный фермент инвертазу. Эти гены также представлены большим числом копий и локализованы в области теломер (Carlson et al., 1985). Репрессибельные КФ синтезируются только при дефиците неорганического фосфата (Фн). Структурные гены РНО5, PHO11 и PHO12 клонированы и демонстрируют высокую степень сходства (85 %) (Bergman et al.,1986; Thill et al., 1983). Тот факт, что у некоторых штаммов все идентифицированные паралоги сохранились, видимо, можно объяснить тем, что КФ являются экзоферментами и формируют комплексы друг с другом только в периплазматической мембране (Shnyreva et al., 1996). Именно это, вероятно, ослабило действие естественного отбора против повышения копийности предкового гена. При анализе регуляторных областей дуплицированных генов у дрожжей было выявлено действие позитивного отбора в отношении регуляторных последовательностей (Papp et al., 2003). Даже в цис-регуляторных областях генов РНО5, РНО11 и РНО12 нет полной идентичности. А регуляторные области генов рКФ демонстрируют полное отсутствие сходства с промотором гена РНО3. Ранее было показано, что регуляторные области паралогов дивергируют значительно быстрее, чем кодирующие (Papp et al., 2003; Dong et al., 2011). Анализ потенциальных сайтов для ТФ в цис-регуляторных областях генов РНО Наибольшие изменения у дуплицированных генов в процессе эволюции наблюдаются в регуляторных областях (Hurles, 2004). Используя базу данных YEASTRACT (http://www.yeastract.com/) (Abdulrehman et al., 2011), мы сравнили спектр транскрипционных факторов, для которых в промоторах генов РНО3, РНО5, РНО11 и РНО12 обнаружены потенциальные сайты связывания (рис. 1). В промоторах всех 4 генов были обнаружены сайты связывания для транскрипционных факторов (ТФ) - Ash1p, Azf1p, Fkh1p, Fkh2p, Gcn4p, Gcr1p, Mot3p, Rtg1p, Rtg3p, Stb5p, Tec1p. Вероятно, эти сайты присутствовали в промоторе исходного предкового гена РНО. Анализ промоторов генов РНО11, РНО12 и РНО3 показал, что в сравнении с промотором гена РНО5 у них отсутствуют сайты связывания для белков Abf1р, Mac1p, Mal63p, Mcm1p, Xbp1p, Nrg1p. Причем сайт для Nrg1p отсутствует только у РНО11 и РНО12, но есть в промоторе РНО3. Возможно, что он был утрачен генами уже после дупликации фрагмента хромосомы. В то же время в промоторах генов РНО11 и РНО12 обнаружены новые регуляторные последовательности, общие для этих генов и не обнаруженные у РНО5 и РНО3. Это последовательности для ТФ - Ndt80p, Stp1p1, Stp2p, Sum1p, Upc2p и Yap1p. При этом последовательность для Yap1p есть и в промоторе РНО3. Скорее всего этот сайт был утрачен РНО5 в ходе эволюции. Поиск специфических для каждого гена последовательностей выявил новые сайты связывания для транскрипционных факторов Gis1p, ImeIp в промоторе гена РНО12, а также сайты связывания для ТФ - Ace2p, Arg81p, Cad1p, Cin5p, Hac1p, Yap3p, Yap5p в промоторе гена РНО3, для ТФ - Abf1, Mac1, Mal63, Mcm1, Xbp1 в промоторе гена РНО5. Наиболее вероятно, что «индивидуальные» регуляторные факторы и могут быть ключевыми при специализации паралогов. Следует отметить, что доказанных взаимодействий ТФ с промоторами генов РНО3, РНО5, РНО11 и РНО12 существенно меньше. По данным базы YEASTRACT, с промотором гена РНО3 взаимодействуют транскрипционные факторы Fkh2p, Mcm1p, Thi2p, Yap5p; с промотором гена РНО5 - Arg81p, Fkh1p, Fkh2p, Mcm1p, Thi2p, Pho4p, Rap1p, Tec1p; с промотором гена РНО11-Fkh2p, Nrg1p, Sko1p, Ste12p, Tec1p; для промотора гена РНО12 - сведения отсутствуют. В настоящее время доказаны взаимодействия промотора гена РНО3 с факторами Fkh2p, Mcm1p, Thi2p, Yap5; для гена РНО5 - с Arg81p, Fkh1p, Fkh2p, Mcm1p, Thi2p, Pho4p, Rap1p, Tec1p; для гена РНО11-с Fkh2p, Nrg1p, Sko1p, Ste12p, Tec1p. Таким образом, изменения в регуляторных областях создают предпосылки для формирования новых взаимодействий и вовлечения генов КФ в новые метаболические пути. Как известно, довольно значительная часть генома представлена регуляторными последовательностями, но все ли эти последовательности вносят вклад в регуляцию транскрипции остается неизвестным. Хотя картирование взаимодействий 203 регуляторных факторов в 12 различных условиях проведено, проанализировано более 3000 взаимодействий транскрипционных факторов и промоторов (Harbison et al., 2004), всегда остается возможность возникновения в природе таких условий, при которых ранее не работавший сайт узнается своим ТФ. Сравнение ТФ, которые потенциально способны взаимодействовать с промоторами генов РНО, показало, что все гены РНО содержат последовательности для ТФ углеводного метаболизма (Azf1p, Gcr1p), регуляторов кислородного обмена и функций митохондрий (Mot3p, Rtg1p, Rtg3p, Stb5p), регуляторов переключения типов спаривания (Ash1p, Fkh1p, Fkh2p), регулятора биосинтеза аминокислот - Gcn4p, а также для Tec1p, контролирующего гены мицелиального роста. Общими для генов репрессибельных КФ являются регуляторные факторы азотного метаболизма (Gat1p, Gln3p, Gzf3p) и позитивный регулятор метаболизма фосфата - Pho4p. Общим для РНО3 и РНО5 является Nrg1p - ТФ, обеспечивающий глюкозную репрессию. Как видно на рисунке 1, у каждого из генов есть сайты и для индивидуальных ТФ. Ген РНО5 способен реагировать на концентрацию меди (Mac1p), изменения источника углерода (Mal63p), репрессироваться при стрессе (Xbp1p). Ген РНО11 потенциально может регулироваться совместно с генами бета-окисления жирных кислот (Oaf1p). Промотор гена РНО12 содержит последовательность для регулятора генов устойчивости к соединениям мышьяка (Arr1p), а также может регулироваться координировано с генами биосинтеза серосодержащих амнокислот (Met4p). Ген РНО3 способен реагировать на наличие аргинина (Arg81p) и кадмия (Cad1p) в среде, а также на окислительный стресс (Yap1, Yap5p). Как видно, сохранение ферментативной функции КФ в процессе эволюции сопровождалось дивергенцией цис-регуляторных областей и формированием чувствительности к новым сигналам, что позволило адаптировать экспрессию генов РНО к различным условиям среды. Подобные процессы характерны для эволюции дуплицированных генов, обнаруженных у дрожжей. Анализ генома дрожжей S. cerevisiae показал, что число общих регуляторных мотивов в промоторах дуплицированных генов снижается в процессе эволюции, тогда как общее число регуляторных мотивов остается неизменным. Обнаружено действие позитивного отбора на цис-регуляторные мотивы после дупликации генов (Papp et al., 2003). В то же время следует помнить, что наличие сайта в промоторной области еще не доказывает участия соответствующего ТФ в регуляции, о чем свидетельствует работа (Hu et al., 2007). Структура хроматина в промоторах генов РНО Сейчас стало очевидным, что важную роль в регуляции экспрессии генов играет структура хроматина в регуляторной области. Ген РНО5 является классической моделью для изучения структуры хроматина в связи с индукцией и репрессией транскрипции гена (Almer, Horz, 1986). В условиях репрессии промотор гена РНО5 связан с 4 нуклеосомами и только 70 п. о. представляют область, чувствительную к нуклеазам. При низкой концентрации Фн две пары нуклеосом, фланкирующие эту область, освобождают промотор, и происходит активация транскрипции РНО5. Транскрипционная активация и разрушение структуры хроматина зависят от активатора Pho4p, который связывается с двумя сайтами в промоторной области РНО5 - UAS1 (5’AATTAGCACGTTTTCGCCATA-3’), локализованным внутри короткой, свободной от нуклеосом области, и UAS2 (5’- GCACTCACACGTGGGA-3’), который находится внутри нуклеосомы-2. Ремоделирование хроматина наблюдается в отсутствие репликации ДНК и требует наличия активирующего домена Рho4p. Только после освобождения промотора от нуклеосом, активирующий домен может взаимодействовать с аппаратом транскрипции и усиливать формирование инициаторного комплекса на промоторе (Mao et al., 2011). В активации транскрипции принимает участие и SAGA-комплекс, который физически притягивается к промотору РНО5. На экспрессию гена РНО5 влияют мутации в гене GCN5, кодирующем ацетилтрансферазу гистонов. Делеция этого гена приводит к изменению нуклеосомной структуры промотора РНО5 и к резкому снижению транскрипционной активности (Gregory et al., 1998). Ранее было показано, что в процессе активации промотор гена РНО11 также претерпевает перестройку нуклеосом, но несколько иначе, чем РНО5. Структура хроматина в цис-регуляторной области гена РНО3 отличается от РНО5 (Venter, Horz, 1989) и содержит только одну нуклеосому. Паралоги РНО сформировали свой «круг общения» Возникновение нового «круга общения» паралогов РНО может осуществляться как на уровне транскрипции, так и на уровне белковых молекул. В первом случае возможно выявление генов, продукты которых влияют на экспрессию структурных генов КФ. В нашей работе для анализа генетических и физических взаимодействий генов РНО и их продуктов мы использовали базы данных BioGrid (http://thebiogrid.org) (Chatr-Aryamontri et al., 2013) и STRING (http://string-db.org/) (Franceschini et al., 2013) Как уже упоминалось, в процессе эволюции пути регуляции паралогов РНО5, РНО11, РНО12 и РНО3 разошлись. Гены РНО11, РНО12 и РНО5 содержат последовательности для взаимодействия с активатором Pho4p, а промотор гена РНО3 - нет, в силу этого он вышел из РНО-регулона. Экспрессия генов рКФ зависит от концентрации фосфата и осуществляется на уровне транскрипции при участии факторов позитивного (Pho2p, Pho4p) и негативного контроля (Pho85p, Pho80p). Синтез Pho5p, Pho11p, Pho12p репрессируется в ответ на высокую концентрацию Фн, а синтез Pho3p не зависит от концентрации фосфата. Путь передачи сигнала о концентрации фосфата подробно изучен. Обнаружены три транспортные системы с разным сродством к фосфату, работа которых зависит от концентрации Фн, а также ионов Н+ и Na+. За транспорт Фн внутрь клетки отвечают продукты генов PHO84, PHO86, PHO87, PHO88, PHO89, GTR1. Транспортная система, обладающая высоким сродством к фосфату, включает две пермеазы - Pho84p и Pho89p. Активность этих переносчиков репрессируется при высоких концентрациях неорганического фосфата в среде (Bun-Ya et al., 1991; Persson et al., 1999). Транспортная система с низком сродством к Фн включает пермеазы Pho87р, Pho90р и Pho91р, которые активны при высокой концентрации Фн в среде. Пермеазы способны формировать комплексы. Так, например, Pho84p может взаимодействовать с Pho86p, Pho87p, Pho88p и Gtr1p. Особое значение имеет белок Gtr1p, который обладает участком для связывания ГТФ на N-конце и относится к семейству ГТФ-связывающих белков ras. Комплекс Gtr1p-Pho84p, возможно, принимает сигналы о количестве фосфата в среде и клетке и выполняет регуляторную функцию (Bun-Ya et al,. 1992). Кроме пермеаз на транспорт фосфата влияют мутации в генах РМА1 (АТФаза плазматической мембраны), АСС1 (ген, вовлеченный в синтез синтетазы жирных кислот) и новый ген - РНО23. Продукты этих генов контролируют различные этапы переноса сигнала о концентрации Фн к регуляторам экспрессии генов РНО-регулона (Lau et al., 1998; Lau et al., 2000). Отличительной особенностью Pho3p является зависимость ее синтеза от концентрации тиамина в среде (Kowalska, Kozik, 2007). Тиамин (витамин В1) необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот и пентозофосфатного пути окисления углеводов. Из окружающей среды тиамин поступает в клетки с помощью специфического мембранного белка-транспортера, продукта гена THI7. Дрожжи-сахаромицеты могут синтезировать тиамин и самостоятельно с помощью фермента, продукта гена THI4 (Singleton, 1997). Ген THI4 и другие THI-гены представляют собой тиаминовый регулон, который полностью репрессирован при высокой концентрации тиамина в среде и активирован на среде без тиамина. КФ Pho3p имеет тиамин-связывающую активность при рН 5,0. У мутантов pho3 в отличие от клеток дикого типа значительно снижена интенсивность транспорта тиаминовых пиро- и монофосфатов, что свидетельствует о том, что Pho3p гидролизует тиаминфосфаты (Nosaka et al., 1989). Добавление тиамина подавляет активность кКФ Pho3p и ферментов биосинтеза тиамина. Этот эффект обусловлен фактором негативной регуляции, продуктом гена THI81 (Nishimura et al., 1997). Таким образом, при наличии фосфата и тиамина в среде регуляция экспрессии генов, кодирующих репрессибельные и конститутивную фосфатазы, различна. Анализ данных базы BIOGRID, в которой представлены физические и генетические взаимодействия для генов дрожжей-сахаромицетов, выявил интересные особенности регуляции генов РНО. Так как гены РНО11 и РНО12 были дуплицированы в составе фрагмента хромосомы, логично предположить, что их физические и генетические взаимодействия будут сходными. Тем не менее это не так. Для Pho11p идентифицировано 5 физических взаимодействий, выявленных с помощью методов масс-спектрометрии сопряженной с аффинной хроматографией. Pho11p взаимодействует с Bud5p (фактор обмена ГТФ/ГДФ для Bud1p, участвует в регуляции аксиального и биполярного почкования), с Gdh3 р [НАДФ (+) - зависимая глутаматдегидрогеназа, участвует в синтезе глутамата из аммония и α-кетоглутаровой кислоты], Gus1р (глутамил-тРНК-синтетаза), Irc7 р (β-лиаза, участвует в продукции тиолов) и Pho5p. Обнаружено три генетических взаимодействия - с мутациями в генах EOS1 (продукт участвует в N-гликозилировании), RTF1 (субъединица РНК полимеразы II), SLX5 (кодирует субъединицу комплекса убиквитинлигазы). Для Pho12p обнаружено только два физических взаимодействия с белками Fzf1 - в двугибридной системе, и с Ser3p - с помощью масс-спектрометрии. Белок Fzf1 является транскрипционным фактором, который регулирует метаболизм сульфитов, а Ser3p (3-фосфоглицератдегидрогеназа), катализирует первый этап биосинтеза серина и глицина. Пять генетических взаимодействий обнаружено с генами ATG32, MSS18, SSO2, YDJ1, YJR054W. ATG32 - кодирует митохондриальный трансмембранный рецептор, который участвует в деградации митохондрий при голодании; MSS18 - кодирует белок, который участвует в сплайсинге митохондриальных интронов; SSO2 кодирует гомолог синтаксина, необходим для слияния секреторных везикул; YDJ1 (ко-шаперон I типа), участвует в регуляции шаперонов Hsp90 и Hsp70; YJR054W - кодирует вакуолярный белок, функция которого пока неизвестна. Таким образом, на данном этапе даже самые близкие по происхождению гены РНО11 и РНО12 регулируются по-разному, и их продукты взаимодействуют с различными белками. Pho11p участвует в реакциях азотного метаболизма, а продукт гена РНО12 связан с митофагией и созреванием митохондриальной РНК, а также с вакуолярными процессами. Возможно, дальнейшие исследования расширят представления о взаимодействующих белках. Особенно интересно сравнение взаимодействий продуктов генов РНО5 и РНО3, а также их генетических взаимодействий. Для гена РНО5 и Pho5p идентифицировано 6 физических взаимодействий и 31 генетическое взаимодействие. Для гена РНО3 и Pho3p - 1 физическое взаимодействие и 35 генетических. При этом среди генов, с которыми обнаружены позитивные и негативные взаимодействия, можно обнаружить только 2 перекрытия - это ген NRG2, кодирующий транскрипционный репрессор, который необходим для глюкозной катаболитной репрессии, а также ген PTC4, кодирующий цитоплазматическую 2С-протеинфосфатазу. Обнаружено физическое взаимодействие Pho5p с Atp3p (γ-субъединица компонента F1 митохондриальной F1F0 АТФ-синтазы), Bgl2p (эндо-β-глюканаза, основной белок клеточной стенки), Mpm1p (митохондриальный белок неизвестной функции), Pdi1p (протеиндизульфидизомераза), Pho11p (одна из 4 КФ), Swi3p (субъединица SWI/SNF хроматин - ремоделирующего комплекса). Для Pho3p обнаружено только одно взаимодействие - с Sbp1р. Полагают, что этот белок участвует в биогенезе малых ядрышковых РНК snR10 и snR11. Белок-белковые взаимодействия продуктов генов РНО, доказанные экспериментально, представлены в базе данных STRING (http://string-db.org/) (Franceschini et al., 2013) (рис. 2). Как видно, существуют взаимодействия различных изозимов КФ с регуляторными белками РНО-системы. В то же время следует отметить наличие специфических взаимодействий для каждого из изозимов. Сопоставление результатов, приводимых в различных базах данных, показывает их неполное соответствие, что может быть связано с различными методологическими подходами при создании баз данных. Окончательный вывод о существовании тех или иных белок-белковых взаимодействий может быть сделан на основании прямых экспериментальных данных. Таким образом, анализ физических контактов различных изозимов КФ выявил неперекрывающиеся взаимодействия с другими белками, которые и формируют их различные «круги общения». Семейство КФ дрожжей в процессе эволюции сохранило основную функцию - отщепление неорганического фосфата от широкого спектра субстратов, но в тоже время каждый из изозимов работает в своей «экологической нише» в соответствии с изменяющимися условиями среды. Тот факт, что КФ секретируются в периплазматическое пространство, по-видимому, ослабляет давление естественного отбора (Christiaens et al., 2012). В процессе эволюции все паралоги РНО сохранили способность дифференцировать различные источники углерода в среде. В регуляции транскрипции генов РНО участвует активатор транскрипции генов гликолиза Gcr2p; транскрипционный фактор Adr1p, обеспечивающий репрессию гена ADH2 глюкозой. Кроме того, все паралоги могут регулироваться позитивным фактором азотного метаболизма Gat4 р, активатором стресс-ответа Msn2 р, регуляторами метаболизма фосфора, а также регулятором биосинтеза аминокислот Gcn4p и др. Таким образом, при дефиците фосфата клетка способна корректировать уровень экспрессии генов РНО в зависимости от углеводного и азотного состава среды (www.yeastract.com). Эволюция цис-регуляторных областей повлекла за собой вовлечение в регуляцию новых транскрипционных факторов. В процессе адаптации к разным условиям появилась возможность более тонкой регуляции, благодаря возникновению новых регуляторных последовательностей. У гена РНО5 обнаруживается новый регулятор Arg81р - активатор генов, регулируемых аргинином. Появляется зависимость экспрессии РНО5 от фактора Gal4 на среде с галактозой, а также от Pip2 - олеат-специфического транскрипционного активатора. Специфичными для РНО11 являются транскрипционные факторы: Oaf1 необходим при росте на олеате, Rim101 обеспечивает адаптацию к щелочным условиям, Ste12 контролирует инвазивный рост. В контроле РНО12 участвует ТФ Fzf1p, регулирующий метаболизм сульфитов. На экспрессию гена РНО3 влияет репрессор углеводного метаболизма Mig1, что свидетельствует о том, что уровень кКФ может изменяться в зависимости от источника углерода. Специфичным для РНО3 является фактор Pdc2, который необходим для экспрессии генов пируватдекарбоксилазы и генов, регулируемых тиамином. Эволюция за счет субфункционализации может быть связана с повышением запаса прочности генетической системы (Li, Johnson, 2010). Так, например, у сахаромицетов гены SIR2 и HST1 кодируют гистондеацетилазы, имеющие неперекрывающиеся функции. Однако в случае делеции одного из генов, продукт другого способен компенсировать его отсутствие, что, безусловно, работает в пользу сохранения этой дупликации (Levasseur Pontarotti, 2011). В случае генов РНО у сахаромицетов не происходит изменения функции фермента, так как не происходит накопления мутаций в структурной части генов, есть перекрывание в регуляции экспрессии, что обеспечивает стабильность системы, однако появляются и индивидуальные особенности, которые расширяют адаптивные возможности клетки. Расширение представлений о взаимодействиях белков в клетке и особенностях регуляции экспрессии генов позволит в дальнейшем расширить наши представления об эволюции паралогов у эукариот. Благодарности: Авторы признательны Дмитрию Музаеву и Андрею Румянцеву за помощь в оформлении статьи.

Elena Viktorovna Sambuk

Saint-Petersburg State University

Email: esambuk@mail.ru
Deptartment of Genetics and Biotechnology

Marina Vladimirovna Padkina

Saint-Petersburg State University

Email: mpadkina@mail.ru
Deptartment of Genetics and Biotechnology

  1. Савинов В. А., Самбук Е. В., Падкина М. В. (2007) Природные и рекомбинантные фитазы микроорганизмов. Вестн. С.-Петерб. Ун-та. Сер.3, Вып. 2. С. 66-75.
  2. Abdulrehman D., Monteiro P. T., Teixeira M. C., et al. (2011) YEASTRACT: providing a programmatic access to curated transcriptional regulatory associations in Saccharomyces cerevisiae through a web services interface. Nucl. acids res. V. 39: P. D136-D140.
  3. Albertin W., Marullo P. (2012) Polyploidy in fungi: evolution after whole-genome duplication. Proc. Boil. sci. V. 279: P. 497-509.
  4. Almer A., Hörz W. (1986) Nuclease hypersensitive regions with adjacent positioned nucleosomes mark the gene boundaries of the PHO5/PHO3 locus in yeast. EMBO J. V. 5: P. 2681-2687.
  5. Bergman L. W., Stranathan M. C., Preis L. H. (1986) Structure of the transcriptionally repressed phosphate-repressible acid phosphatase gene (PHO5) of Saccharomyces cerevisiae. Mol. cell. biol. V. 6: P. 38-46.
  6. Carlson M., Celenza J. L., Eng F. J. (1985) Evolution of the dispersed SUC gene family of Saccharomyces by rearrangements of chromosome telomeres. Mol. cell. biol. V. 5: P. 2894-2902.
  7. Chatr-Aryamontri A., Breitkreutz B.-J., Heinicke S., et al. (2013) The BioGRID interaction database: 2013 update. Nucl. acid. Res. V. 41 (Database issue): D 816-23. doi: 10.1093/nar/gks1158.
  8. Christiaens J. F., Van Mulders S. E., Duitama J., et al. (2012) Functional divergence of gene duplicates through ectopic recombination. EMBO Rep. V. 13: P. 1145-1151.
  9. Cliften P. F., Fulton R. S., Wilson R. K., Johnston M. (2006) After duplication: gene loss and adaptation in Saccharomyces genome. Genetics. V. 172: P. 863-872
  10. De Steensma H. Y., de Jonge P., Kaptein A., Kaback D. B. (1989) Molecular cloning of chromosome I DNA from Saccharomyces cerevisiae: localization of a repeated sequence containing an acid phosphatase gene near a telomere of chromosome I and chromosome VIII. Curr. genet. V. 16: P. 131-137.
  11. Dong D., Yuan Z., Zhang Z., 2011. Evidences for increased expression variation of duplicate genes in budding yeast: from cis- to trans-regulation effects. Nucl. acids res. V. 39: P. 837-847.
  12. Fares M. A., Keane O. M., Toft C., et al. (2013) The roles of whole-genome and small-scale duplications in the functional specialization of Saccharomyces cerevisiae genes. PLoS Genet. V. 9: e1003176. doi: 10.1371/journal.pgen.1003176.
  13. Franceschini A., Szklarczyk D., Frankild S., et al. (2013) STRING v9.1: protein-protein interaction networks, with increased coverage and integration. Nucleic Acids Res. V. 1 (Database issue): D 808-815.
  14. Force A., Lynch M., Pickett F. B., et al. (1999) Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations. Genetics. V. 151: P. 1531-1545.
  15. Gregory P. D., Schmid A., Zavari M., Lui L., Berger S. L., Horz W. (1998) Absence of Gcn5 HAT activity defines a novel state in the opening of chromatin at the PHO5 promoter in yeast. Mol. cell. V. 1: P. 495-505.
  16. Harbison C. T., Gordon D. B., Lee T. I., et al. (2004) Transcriptional regulatory code of a eukaryotic genome. Nature. V. 431: P. 99-104.
  17. Hu Z., Killion P. J., Iyer V. R. (2007) Genetic reconstruction of a functional transcriptional regulatory network. Nat Genet. V. 39: P. 683-687.
  18. Hurles M. (2004) Gene duplication: the genomic trade in spare parts. PLoS Biol. V. 2: E206.
  19. Katju V., Farslow J. C., Bergthorsson U. (2009) Variation in gene duplicates with low synonymous divergence in Saccharomyces cerevisiae relative to Caenorhabditis elegans. Genome Biol. V. 10: R75. doi: 10.1186/gb-2009-10-7-r75.
  20. Kowalska E, Kozik A. (2008) The genes and enzymes involved in the biosynthesis of thiamin and thiamin diphosphate in yeasts. Cell. mol. biol. lett. V. 13; P. 271-282.
  21. Kroll K., Pähtz V., Kniemeyer O. (2013) Elucidating the fungal stress response by proteomics. J. Proteomics. V. 10. doi: pii: S1874-3919 (13) 00315-1.
  22. Lau W., Schneider K. R., O’Shea E. K. (1998) A genetic study of signaling processes for repression of PHO5 transcription in Saccharomyces cerevisiae. Genetics. V. 150: P. 1349-1359.
  23. Lau W.-T., Howson R. W., Malkus P., et al. (2000) Pho86p, an endoplasmic reticulum (ER) resident protein in Saccharomyces cerevisiae is requred for ER exit of the high-affinity phosphate transporter Pho84p. Proc. natl. acad. sci. USA. V. 97: P. 1107-1112.
  24. Levasseur A., Pontarotti P. (2011) The role of duplications in the evolution of genomes highlights the need for evolutionary-based approaches in comparative genomics. Biology direct. V. 6: P. 11-23.
  25. Li H., Johnson A. D. (2010) Evolution of transcription networks-lessons from yeasts. Curr. biol. V. 20: P. 746-753.
  26. Lynch M., Conery J. S. (2000) The evolutionary fate and consequences of duplicate genes. Science. V. 290: P. 1151-1155.
  27. Mao C., Brown C. R., Griesenbeck J., Boeger H. (2011) Occlusion of regulatory sequences by promoter nucleosomes in vivo. PLoS One. V. 6: e17521. doi: 10.1371/journal.pone.0017521.
  28. Meyhack B., Baiwa W., Rudolph H., Hinnen A. (1982) Two yeast acid phosphatase structural genes are the result of a tandem duplication and show different degrees of homology in their promoter and coding sequences. EMBO J. V. 1: P. 675-680.
  29. Mizunaga T., Izawa M., Ikeda K., et al. (1988) Secretion of an active nonglycosylated form of the repressible acid phosphatase of Saccharomyces cerevisiae in the presence of tunicamycin at low temperatures. J. Biochem. (Tokyo). V. 103: P. 321-326.
  30. Nishimura K., Yasumura K., Igarashi K., Harashima S., Kakinuma Y. (1999) Transcription of some PHO genes in Saccharomyces cerevisiae is regulated by spt7p. Yeast. V. 15: P. 1711-1717.
  31. Nosaka K., Nishimura H., Iwashima A. (1989) Identity of soluble thiamine-binding protein with thiamine repressible acid phosphatase in Saccharomyces cerevisiae. Yeast. V. 5: P. 447-451.
  32. Ohno S. (1993) Patterns in genome evolution. Curr. Opin. Genet Dev. V. 3: P. 911-914.
  33. Papp B., Pal C., Hurst L. D. (2003) Evolution of cis-regulatory elements in duplicated genes in yeast. Trends in Genetics. V. 19: P. 417-422
  34. Sambuk E. V., Fizikova A. Y., Savinov V. A., Padkina M. V. (2011) Acid phosphatases of budding yeast as a model of choice for transcription regulation research. Enzyme Res.; 2011:356093. doi: 10.4061/2011/356093.
  35. Shnyreva M. G., Petrova E. V., Egorov S. N., Hinnen A. (1996) Biochemical properties and excretion behavior of repressible acid phosphatases with altered subunit composition. Microbiol. Res. V. 151: P. 291-300.
  36. Singleton C. K. (1997) Identification and characterization of the thiamine transporter gene of Saccharomyces cerevisiae. Gene. V. 15: P. 111-121.
  37. Takashita H., Kajiwara Y., Shimoda M., et al. (2013) Genetic instability of constitutive acid phosphatase in shochu and sake yeast. J. biosci. bioeng. V. 116: P. 71-78.
  38. Thill G. P., Kramer R. A., Turner K. J., Bostian K. A. (1983) Comparative analysis of the 5’-end regions of two repressible acid phosphatase genes in Saccharomyces cerevisiae. Mol. cell. biol. V. 3: P. 570-579.
  39. Toh-E A., Kakimoto S. (1975) Genes coding for the structure of the acid phosphatases in Saccharomyces cerevisiae. Mol. gen. genet. V. 143: P. 65-70.
  40. Tsai Z. T., Tsai H. K., Cheng J. H., et al. (2012) Evolution of cis-regulatory elements in yeast de novo and duplicated new genes. BMC Genomics. V. 13: P. 717-729.
  41. Van Hoek M. J., Hogeweg P. (2009) Metabolic adaptation after whole genome duplication. Mol. biol. eV. V. 26: P. 2441-2453.
  42. Venter U, Hörz W. (1989) The acid phosphatase genes PHO10 and PHO11 in S. cerevisiae are located at the telomeres of chromosomes VIII and I. Nucleic acids res. V. 17: P. 1353-1369.
  43. Yona A. H., Manor Y. S., Herbst R. H., et al. (2012) Chromosomal duplication is a transient evolutionary solution to stress. Proc. natl. acad. sci. U S A. V. 109: P. 21 010-21 015.

Views

Abstract - 362

PDF (Russian) - 229

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2013 Sambuk E.V., Padkina M.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies