Структура и функционирование белков. Применение методов биоинформатики - Джон Ригден 2014
Функциональное разнообразие в элементах упаковки и надсемействах
Разнообразие функций гомологичных белков
Эволюция белковых надсемейств
В конечном счете, основным критерием группы белков, принадлежащих одному надсемейству, является тот факт, что гены, кодирующие эти белки, происходят от одного общего гена-предка. Процесс, в ходе которого ген-предок дает начало двум (или более) копиям самого себя, обычно обозначают термином дупликация.
Согласно определению, событие дупликации дает начало гомологичным генам. Но для дальнейших процессов следует провести различие. Гены, которые происходят от общего гена-предка посредством дупликации генома в отсутствие сопутствующего процесса видообразования, известны как паралоги. Гены, которые происходят от общего гена-предка посредством дупликации генома в процессе видообразования, известны как ортологи. Принято считать, что из-за сильного давления отбора в ортологичных генах обычно сохраняется функция гена-предка и оба вида-потомка по-прежнему способны осуществлять функцию предка (Tatusov et al. 1997). На основании этого предположения некоторые авторы даже определяют ортологи как гомологи, которые выполняют одну и ту же функцию у различных видов. Существует несколько баз данных, которые позволяют определять ортологичные гены у ряда организмов (Dolinski and Botstein 2007). С другой стороны, наличие в геноме большого количества копий данного гена, т.е., паралогов, вероятно, привело бы к сильному давлению отбора на одну из копий и сохранению ее первоначальной функции, что, в свою очередь, обеспечило бы больше возможностей для дивергенции других копий гена. Процесс, в ходе которого одна копия дуплицированного гена сохраняет функцию гена-предка, а остальные копии эволюционируют и приобретают новые функции, известен под названием неофункционализации. В результате отсутствия давления отбора в ходе эволюционной дивергенции эти дополнительные копии часто превращаются в псевдогены, которые представляют собой реликты генов и не экспрессируются (Harrison and Gerstein 2002). Этот эволюционный процесс называется бесфункционализацией. Субфункционализация - третий эволюционный процесс, обозначающий случаи, когда множество функций гена-предка распределяется между паралогами. Так или иначе, принято считать, у паралогов больше возможностей дивергенции по сравнению с ортологами, и поэтому они более разнообразны в функциональном отношении.
События, последовавшие за дупликацией и появлением ортологов и паралогов, в каком бы порядке они ни следовали в ходе биологической истории, привели к появлению современных надсемейств белков. По- видимому, не для всех надсемейств этот процесс был в равной степени успешным, поскольку, как известно, некоторые надсемейства являются результатом экспрессии непропорционально большого числа генов в полностью секвенированных геномах (Marsden et al. 2006). На сегодняшний день причины неодинакового эволюционного успеха различных семейств не ясны. Выдвигались аргументы, связанные со структурными и функциональными свойствами, а также с эволюционной динамикой (Goldstein 2008). Можно ожидать, что более старые надсемейства, имевшие больше времени для дивергенции и приобретения различных функций, как правило, более многочисленны в настоящее время. Так, надсемейство HUP (код САТН 3.40.50.620) восходит к миру РНК, как принято считать, основываясь на филогенетических данных. Оно отличается чрезвычайно широким спектром на первый взгляд не связанных между собой функций (Aravind et al. 2002). В то же время, некоторые современные надсемейства, встречающиеся исключительно у эукариотических видов, часто ограничены весьма специфическим набором функций. Однако возраст, по-видимому, не основной фактор, объясняющий различные размеры надсемейств. В недавнем исследовании проанализирована эволюционная динамика различных семейств генов: одни семейства содержали гены, связанные с основными функциями (Е-семейства), а другие семейства не содержали таких генов (N-семейства). Предполагается, что паралоги в Е-семействах с большей вероятностью эволюционируют и приобретают новые функции, чем те же гены в N-семействах. Это свидетельствует о том, что функции генов-предков семейства являются ключевым фактором, определяющим успех в эволюции (Shakhnovich and Koonin 2006). Как будет показано в следующем разделе, другие аргументы, объясняющие изменчивость успеха белковых семейств в эволюции, можно извлечь из механизмов, которые были предложены для объяснения эволюции функций.