Статья: Компьютерная система анализа режимов молекулярной эволюции генов и белков: анализ эволюции циклинов B

После видового названия приведены идентификаторы последовательностей в базе KEGG. Оцененная при рассчете филогенетического дерева достоверность ветвления показана числовыми значениями (критерий Шимодары и Хасегавы / критерий ч2). Бифуркации, разрешенные вручную на основании литературных данных, показаны звездочкой, по эволюции циклинов грибов - решеткой. Жирным выделены ветви, на которых наблюдаются атипичные замены (p<0,01).

Результаты исследования и обсуждение

В целях тестирования возможностей компьютерной системы анализа режимов молекулярной эволюции генов и белков, а также тестирования разрешающей способности впервые предложенного нами метода анализа скоростей фиксации различных типов аминокислотных замен был проведен анализ эволюции циклинов B животных, грибов и простейших.

На первом этапе анализа мы провели поиск атипичных аминокислотных замен на каждой ветви дерева циклинов B. Для поиска атипичных аминокислотных замен нами были использованы все три программы реконструкции предковых последовательностей белков во внутренних узлах древа циклинов B (при реконструкции с помощью программы ANCESCON учитывалась обобщенная WAG-модель относительных скоростей замен аминокислот; с помощью FASTML - обобщенная LG-модель относительных скоростей замен аминокислот; с помощью CODEML - модель относительных скоростей замен аминокислот для семейства циклинов B, созданная с использованием MODELESTIMATOR), установленные в созданную нами компьютерную систему. На рис. 1 жирной линией показаны ветви, на которых были идентифицированы события атипичных аминокислотных замен с вероятностью p < 0,01 при анализе данных всеми тремя методами реконструкции предков.

Рассматривая эволюцию циклинов B животных (рис. 1), можно отметить важную закономерность: у позвоночных накопление атипичных аминокислотных замен, свидетельствующее об ускорении эволюции, идет преимущественно в ходе или после дупликаций паралогов. Одна из моделей эволюции функций генов посредством их дупликации предполагает наличие нескольких функций у гена [41]. Очевидно, что после дупликации многофункционального гена эволюция разных функций гена-предка может идти самостоятельно в дуплицированных копиях гена [41], что увеличивает адаптивную пластичность организма. Интересно, что именно такая картина свойственна эволюции паралогичных групп циклинов B1 и B2 животных, что согласуется с отличиями функций циклинов B1 и B2 животных. Например, известно, что циклин B1 является основным, а циклин B2 - второстепенным, так как мышата с нуль-мутацией по циклину B1 не рождаются, а мышата с нульмутацией по циклину B2 рождаются практически нормальными [42]. Также известно, что циклин B1 экспрессируется в интерфазе в двух фракциях: свободной цитоплазматической и связанной с мембраной, а циклин B2 экспрессируется только в мембрано-связанной форме, поэтому циклин B1 практически полностью компенсирует отсутствие циклина B2, но не наоборот [42]. компьютерный аминокислотный молекулярный

Несколько иная картина свойственна эволюции циклинов B грибов (см. рис. 1): повышение темпов накопления атипичных замен характерно только для одного из дуплицированных циклинов - сначала только для CLB5-6, затем только для CLB1-2 и, наконец, для отдельной подгруппы циклинов внутри паралогичной группы CDC13.

Рис. 1. Филогенетическое дерево циклинов B

Согласно модели дупликаций С. Оно [43] за процессом дупликации гена, осуществляющего одну функцию, следует движущий отбор в одной из копий гена, что приводит к драматическому изменению ее функции. В подавляющем большинстве случаев одна из копий гена в конечном итоге утрачивает свою функцию за счет дегенеративных мутаций. Однако иногда обе копии гена сохраняются в результате случайного приобретения новой важной функции одной из копий гена. Ранее было показано, что для дрожжей имеет место повышенная селекция против дуплицированных копий генов; дуплицированные же копии генов, сохранившиеся в процессе эволюции, имеют функцию, отличную от предковой [44]. Согласно данным, полученным в настоящей работе, этот вывод можно экстраполировать на эволюцию циклинов B грибов, так как картина распределения атипичных замен на филогенетическом древе грибов соответствует модели неофункционализации С. Оно.

Анализируя данные, представленные на рис. 1, также можно отметить иные, таксон-специфические события накопления атипичных аминокислотных замен. Например, в циклине B3 у беспозвоночных ускорение темпов фиксации атипичных замен выявлено на этапе возникновения двукрылых и перепончатокрылых насекомых, у позвоночных - на этапе возникновения млекопитающих. Следует отметить, что циклины B3 в большей степени важны для контроля мейоза, чем митоза [45-48]. У мышей и нематод, мутантных по циклину B3, наблюдаются нарушения в дифференцировке половых клеток [45-48]. Следовательно, можно предположить, что на этапах возникновения двукрылых и перепончатокрылых насекомых, а также при возникновении млекопитающих происходят существенные изменения в контроле мейоза циклинами B3. Также интересно отметить, что атипичные замены аминокислот в циклине B характерны для эволюции на этапе образования кишечнополостных.

На втором этапе мы проанализировали статистическую взаимосвязь между изменением последовательности циклинов и изменением в ходе эволюции важного фенотипического признака организмов - сложности (см. Материалы и методики). Изменения циклинов измерялись по изменению физико-химических свойств аминокислот в белке в течение эволюции от белка общего предка всех циклинов В до современного белка. Для преобразования филограммы циклинов B (см. рис. 1) в хронограмму использовались 19 палеонтологических границ варьирования датировок дивергенций родов [49-53] (табл. 1).

Для ответа на вопрос, существует ли связь между изменением сложности организмов и эволюцией циклинов, нами был проведен анализ взаимосвязи между эволюционными изменениями свойств аминокислот в трех филетических группах циклинов B (циклины B3 животных, циклины грибов и циклины B1-2 животных) и изменением сложности организмов. Статистический анализ проводился группой методов GLS.

В ходе статистического анализа было выявлено, что с изменением сложности организмов статистически высокозначимо (p < 0,01) коррелировали изменения ряда физико-химических свойств аминокислот только в группе циклинов B3 (табл. 2).

Т а б л и ц а 1

Границы варьирования датировок дивергенций родов

Т а б л и ц а 2 Физико-химические свойства аминокислот циклинов B3, изменение которых коррелирует со сложностью организмов (p < 0,01)

Высокозначимая корреляция между изменением сложности организмов и изменением физико-химических свойств не наблюдалась в филетических группах циклинов B1-2 животных и циклинов грибов. В семействе циклинов B3 скоррелированно со сложностью организмов в ходе эволюции изменялись свойства аминокислот, относящиеся к двум группам (см. табл. 1) - группам физико-химических свойств, связанных с гидрофильностью и формированием поверхностных неструктурированных участков белков (петлевые структуры, переходные участки между петлями и в-слоями и б-спиралями).

Иначе говоря, эволюционные изменения свойств аминокислот у циклинов B3, скоррелированные с изменением сложности организмов, указывают на то, что связанная с изменением сложности организмов эволюция этих циклинов происходила преимущественно по неструктурированным, поверхностным участкам белков. В то же время известно, что циклины осуществляют свою функцию опосредованно, за счет белок-белковых взаимодействий [8]. Таким образом, по-видимому, в процессе эволюции сложности организмов происходили скоррелированные изменения в числе и природе белок-белковых взаимодействий циклинов B3, играющих существенную роль в контроле мейоза.

Почему с изменением сложности организмов высокозначимо коррелировали изменения физико-химических свойств аминокислот только в группе циклинов B3? У большинства животных, за исключением наиболее простых, известно четыре семейства основных циклинов - A, B, D и E, контролирующих различные фазы клеточного цикла [8]. Циклин D контролирует фазу G1, сильно варьирующую по длительности в разных клеточных типах; циклин E контролирует конец фазы G1 и также сильно варьирующий по длительности переход G1/S; циклин A контролирует выход из S-фазы и наиболее консервативную часть клеточного цикла - переход G2/M; циклин B1-2 контролирует только самую консервативную часть клеточного цикла - переход G2/M [8]. Возможно, именно поэтому молекулярная эволюция циклинов B1-2 животных не согласуется с эволюцией сложности животных.

У грибов из четырех семейств основных циклинов, характерных для животных, в геномах представлены только циклины типа B. У S. pombe есть только одно семейство этих основных циклинов - cdc13. Показано, что cdc13 способен в одиночку обеспечивать прохождение клетки через все фазы клеточного цикла [56]. У других грибов, например S. cerevisiae, есть несколько циклинов семейства B: clb1-2, clb3-4, clb5-6, которые контролируют различные фазы клеточного цикла (clb5-6 - S фазу, clb1-2, clb3-4 - G2 и M-фазы) [57]. Такое различие по числу представленных в геномах грибов циклинов B, а также отсутствие корреляции между изменением сложности и эволюцией циклинов могут быть связаны с мицелиальной организацией тела грибов, когда процесс эволюционного усложнения организации сводится в первую очередь к изменениям в биохимических путях, и только частично - к изменению формы гифа и нарушению синхронности деления ядер в гифе [58].

Заключение

Создана компьютерная система анализа режимов эволюции генов и белков. В основе системы лежат Марковское моделирование эволюции генов и белков и анализ изменения всех известных физико-химических свойств аминокислот. Уникальной особенностью системы является возможность напрямую соотносить вычисленные особенности молекулярной эволюции с эволюцией заданных фенотипических признаков организмов и, таким образом, легко интерпретировать результат.

С помощью созданной системы проведено исследование режимов молекулярной эволюции циклинов В. Показано, что фиксация атипичных аминокислотных замен идет после дупликации у обоих паралогов B1 и В2 циклинов позвоночных, а также только в одной из дуплицированных копий в ряду последовательных дупликаций в ходе молекулярной эволюции циклинов B грибов. В результате корреляционного анализа показано, что у животных эволюция подсемейства циклинов B3, в отличие от подсемейств циклинов B1 и B2, была связана с усложнением организма, что может быть объяснено важной ролью циклинов B3 в контроле мейоза, а следовательно, и в контроле репродуктивной изоляции видов.

Литература

1. Drummond D.A., Bloom J.D., Adami C. et al. Why highly expressed proteins evolve slowly // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005. Vol. 102, № 40. P. 14338-14343.

2. Drummond D.A., Wilke C.O. Mistranslation-induced protein misfolding as a dominant constraint on coding-sequence evolution // Cell. 2008. Vol. 134, № 2. P. 341-352.

3. Gout J.F., Kahn D., Duret L. Paramecium Post-Genomics Consortium. The relationship among gene expression, the evolution of gene dosage, and the rate of protein evolution // PLoS Genet. 2010. Vol. 6, № 5. P. e1000944.

4. Kawashima S., Pokarowski P., Pokarowska M. et al. AAindex: amino acid index database, progress report 2008 // Nucleic Acids Res. 2008. Vol. 36, Database issue. P. D202-D205.

5. Zhang J. Rates of conservative and radical nonsynonymous nucleotide substitutions in mammalian nuclear genes // J. Mol. Evol. 2000. Vol. 50, № 1. P. 56-68.

6. Smith Nick GC. Are radical and conservative substitution rates useful statistics in molecular evolution? // J. Mol. Evol. 2003. Vol. 57, № 4. P. 467-478.

7. Pupko T., Sharan R., Hasegawa M. et al. Detecting excess radical replacements in phylogenetic trees // Gene. 2003. Vol. 319, P. 127-135.

8. Cell Cycle Regulation / ed. by Р. Kaldis. Berlin : Springer-Verlag, 2006. 374 p.

9. Nieduszynski C.A., Murray J., Carrington M. Whole-genome analysis of animal A- and B-type cyclins // Genome Biol. 2002. Vol. 3, № 12. P. RESEARCH0070.

10. Analysis of Phylogenetics and Evolution with R / ed. by Е. Paradis. N.Y. : Springer Science+Business Media, 2006. P. 133-183.

11. Gunbin K.V., Afonnikov D.A., Kolchanov N.A. Molecular evolution of the hyperthermophilic archaea of the Pyrococcus genus: analysis of adaptation to different environmental conditions // BMC Genomics. 2009. Vol. 10. P. 639.

12. Kanehisa M., Goto S., Furumichi M. et al. KEGG for representation and analysis of molecular networks involving diseases and drugs // Nucleic Acids Res. 2010. Vol. 38, Database issue. P. D355-D360.

13. Maddison D.R., Schulz K.-S. (eds.) 2007. The Tree of Life Web Project. URL: http://tolweb.org

14. Burki F., Shalchian-Tabrizi K., Minge M. et al. Phylogenomics reshuffles the eukaryotic supergroups // PLoS One. 2007. Vol. 2, № 8. P. e790.

15. Yoon H.S., Grant J., Tekle Y.I. et al. Broadly sampled multigene trees of eukaryotes // BMC Evol. Biol. 2008. Vol. 8. P. 14.