Белок Hsp90 контролирует активность мобильных генетических элементов
|
Мутации белка Hsp90 дестабилизируют индивидуальное развитие животных и растений, что приводит к разнообразным аномалиям и уродствам. До сих пор этот эффект связывали с тем, что Hsp90 придает правильную трехмерную конфигурацию другим белкам, в том числе и таким, которые в результате мутаций утратили способность принимать нужную конфигурацию самостоятельно. Поэтому деятельность Hsp90 позволяет накапливаться «скрытой» генетической изменчивости, которая не проявляется, пока Hsp90 нормально функционирует. Как выяснилось, существует еще одна причина массового появления уродств при нарушении работы Hsp90: этот белок участвует в инактивации мобильных генетических элементов (транспозонов), которые, оставшись без контроля, начинают активно размножаться и перемещаться по геному, что приводит к всплеску мутагенеза. Таким образом, Hsp90 придает устойчивость не только фенотипу, но и генотипу.
Белок Hsp90 производится в больших количествах клетками всех эукариот (растений, животных, грибов, простейших), а также большинства бактерий. Он является шапероном, то есть помогает другим белкам правильно сворачиваться в трехмерные глобулы. Не свернутые или неправильно свернутые белковые молекулы могут быть опознаны, например, по торчащим наружу гидрофобным участкам (у большинства правильно «упакованных» белков гидрофобные участки находятся внутри глобулы). Hsp90 присоединяется к таким белковым молекулам и сжимает их, как тисками, используя для этого энергию АТФ. Во многих случаях это приводит к тому, что даже мутантный белок, не способный самостоятельно принять нужную конфигурацию, в итоге оказывается свернутым правильно и может выполнять свою функцию. Таким образом, нормально работающий белок Hsp90 не дает проявиться многим потенциально вредным (а иногда и потенциально полезным) мутациям других белков. (О роли шаперонов в подавлении фенотипического проявления вредных мутаций см. в заметке: Когда вредных мутаций много, они не так вредны, «Элементы», 06.12.2005.)
Нормальное сворачивание белков может нарушаться не только из-за мутаций, но и из-за внешних стрессирующих воздействий (например, при перегреве). Чтобы не допустить этого, клетки в условиях теплового шока увеличивают производство шаперонов, в том числе Hsp90 (Hsp — аббревиатура от «heat shock protein», белок теплового шока).
Большинство белков, пользующихся «услугами» Hsp-90, выполняют регуляторные функции и участвуют в передаче разнообразных сигналов (например, являются рецепторами, реагирующими на те или иные гормоны). От правильной работы Hsp90 зависит поведение клеток, их реагирование на различные стимулы. Онтогенез (развитие) многоклеточного организма — это интегральный результат согласованного поведения множества индивидуальных клеток, поэтому нарушение работы Hsp90 может приводить к дестабилизации онтогенеза. Hsp90 делает индивидуальное развитие помехоустойчивым, позволяя сформировать нормальный фенотип даже при наличии разнообразных помех: внешних (перегрев) или внутренних (мутации регуляторных белков).
Установлено, что мутации, нарушающие работу Hsp90, действительно приводят к дестабилизации развития у животных и растений, что проявляется в многочисленных аномалиях и уродствах. До сих пор считалось, что все эти уродства суть проявления «скрытой изменчивости», то есть мутаций, которые уже существовали в данной популяции, но не проявлялись, пока Hsp90 работал нормально. Благодаря нормальной работе Hsp90 эти мутации не подпадали под действие отбора и могли спокойно накапливаться (Rutherford S.L., Lindquist S. Hsp90 as a capacitor for morphological evolution, 550 Кб // Nature. 1998. V. 396. P. 336–342).
В новой статье итальянских генетиков, опубликованной на сайте журнала Nature, показано, что Hsp90 является еще более универсальным средством повышения помехоустойчивости, чем считалось до сих пор. Как выяснилось, этот белок придает стабильность не только фенотипу, но и генотипу. Он не только мешает мутациям проявиться, но и предотвращает их возникновение.
Авторы показали, что белок Hsp90 необходим для нормальной работы молекулярной системы, предназначенной для обуздания активности мобильных генетических элементов. Об этой системе, включающей белки семейства Piwi и особый класс малых регуляторных РНК — пиРНК, рассказано в заметках: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007; У низших животных обнаружены системы управления генами и транспозонами при помощи малых РНК, «Элементы», 03.10.2008.
Авторы установили, что мутации белка Hsp90 ведут к нарушению синтеза пиРНК, которые необходимы белкам Piwi для обнаружения и инактивации транспозонов. Оставшись без присмотра, транспозоны начинают размножаться и встраиваться в различные места генома, нарушая работу многих генов — происходит всплеск транспозиционного мутагенеза.
Опыты проводились на дрозофилах. Было показано, что подавление активности белка Hsp90 при помощи химического ингибитора — гелданомицина (Geldanamycin) или при помощи мутаций в гене, кодирующем этот белок, ведут к повышению активности мобильных генетических элементов — транспозонов и ретротранспозонов. Это позволило предположить, что многочисленные аномалии развития, наблюдающиеся у мух с нарушенной функцией Hsp90, объясняются не только проявлением старых «скрытых» мутаций, существовавших у подопытных животных до начала эксперимента, но и появлением новых.
Чтобы проверить это предположение, была использована муха с мутантным геном Hsp90, у которой обнаружилась аномалия, похожая на проявление хорошо известной доминантной мутации Scutoid (измененное строение щетинок). Этот мутантный фенотип вызывается различными изменениями нуклеотидной последовательности гена noc, кодирующего регуляторный белок. Оказалось, что у данной мухи в ген noc встроился транспозон, что привело к выходу гена из строя. У других подопытных мух, у которых не было фенотипа Scutoid, последовательность гена noc оказалась нормальной. Значит, фенотип Scutoid в данном случае был вызван не старой скрытой мутацией, которая ранее не проявлялась, а новой мутацией, которая возникла именно у этой мухи из-за перемещения транспозона.
Таким образом, изменения в работе белка Hsp90 могут приводить к различным уродствам двумя путями: через «высвобождение» предсуществующей скрытой изменчивости и за счет активизации мобильных элементов, что ведет к появлению новых мутаций. Пока не ясно, какой из двух механизмов важнее. Для ответа на этот вопрос необходимы дополнительные эксперименты. Авторы отмечают, что второй механизм может объяснить некоторые факты, которые ранее трактовались как доказательства реальности первого механизма. Главным доводом в пользу гипотезы «высвобождения скрытой изменчивости» служит тот факт, что нарушение работы Hsp90 у мух из разных природных и лабораторных популяций приводит к разным наборам уродств, причем для каждой популяции характерен свой набор. Традиционно это объясняли тем, что в разных популяциях существуют разные наборы скрытых мутаций. Но это можно объяснить и тем, что места встраивания транспозонов не совсем случайны: вероятность внедрения транспозона в тот или иной участок генома зависит от генетического «контекста». Поэтому для разных популяций могут быть характерны разные наборы вероятных мест встраивания транспозонов — и, соответственно, разные наборы возможных уродств.
Остался пока неразрешенным и вопрос о том, какую именно роль играет белок Hsp90 в синтезе пиРНК.
Источник: Valeria Specchia, Lucia Piacentini, Patrizia Tritto, Laura Fanti, Rosalba D’Alessandro, Gioacchino Palumbo, Sergio Pimpinelli, Maria P. Bozzetti. Hsp90 prevents phenotypic variation by suppressing the mutagenic activity of transposons // Nature. Advance online publication 10 January 2010. Doi:10.1038/nature08739.
См. также о шаперонах:
Когда вредных мутаций много, они не так вредны, «Элементы», 06.12.2005.
О системе контроля над мобильными элементами:
1) У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007.
2) У низших животных обнаружены системы управления генами и транспозонами при помощи малых РНК, «Элементы», 03.10.2008.
Об эволюционной роли дестабилизации онтогенеза:
Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009.
Александр Марков
