Эволюция заставила млекопитающих пятнадцать раз пересоздавать белки слюны

Американские биоинформатики обнаружили в геномах млекопитающих следы 15 независимых возникновений новых белков, отвечающих за вязкость слюны. Согласно выводам авторов исследования, опубликованного в Science Advances, виной всему участок генома с высокой частотой мутаций и давление отбора в процессе эволюции.

Млекопитающие за время своего существования занимали огромное количество экологических ниш. Изменение положения животного в пищевой цепи требует изменения процесса пищеварения. Даже кажущиеся малозначимыми детали, вроде состава и вязкости слюны, находятся под давлением естественного отбора. Ведь слюна, которой можно умываться, должна отличаться от слюны, позволяющей приклеивать насекомых к языку.

Гликопротеины муцины, отвечающие за скользкость слизистых оболочек и вязкость их секретов, многочисленны и многообразны (например, у человека около двух десятков видов муцинов, и масса этих молекул различается в более чем десять раз). Откуда такое многообразие — не до конца ясно. Известно, что у человека муцины относятся минимум к двум неродственным группам. Муцин слюны человека, MUC7, произошел от белка семейства секреторных кальцийсвязывающих фосфопротеинов (SCPP) у предка плацентарных млекопитающих. Известный пример белка из того же семейства — казеин молока. Помимо этого, SCPP участвуют в минерализации костей и формировании эмали зубов. Считалось, что появление MUC7 — скорее исключение в эволюции позвоночных животных. Но в таком случае неясно, как менялся белковый состав слюны у разных млекопитающих в процессе эволюции.

Биоинформатики из университета Баффало под руководством Омера Гокчумена (Omer Gokcumen) решили изучить эволюцию муцинов млекопитающих, основываясь на протеомных, геномных и транскриптомных данных.

Для начала в доступных базах геномных данных сравнили строение муцинов человека, мыши, коровы и хорька. Несмотря на общую функцию, у каждого вида был найден хотя бы один уникальный муцин, не имеющий ортологов у остальных, и все они произошли из того же семейства SCPP, что и MUC7, и компактно расположены в геноме рядом с ним на участке в несколько сотен тысяч пар нуклеотидов.

Опираясь на полученные сведения, ученые решили повнимательнее присмотреться к кластеру SCPP, изучив его строение у 49 видов млекопитающих. Они выяснили, что гены, кодирующие муцины слюны грызунов и человека, расположенные в эквивалентных участках генома, не ортологичны друг другу. Человеческий ортолог мышиного Muc10 экспрессирован в основном в слезных железах, не «увешан» углеводами и не имеет аминокислотных участков, к которым эти углеводы могли бы прикрепляться (PTS-повторов). У мыши и вовсе нет ортолога человеческого MUC7.

Сопоставление муцинов полусотни видов млекопитающих показало, что муцины из разных семейств белков, несмотря на неродственное происхождение, похожи друг на друга аминокислотным составом (содержанием аминокислот серина и треонина) и количеством прикрепленных к белку углеводных фрагментов (степенью гликозилирования). Получается, человеческий и мышиный муцин (оба — белки кластера SCPP) приобрели эти свойства в процессе конвергентной эволюции, независимо начав выполнять ранее несвойственные им функции. В общей сложности ученые нашли признаки 15 независимых возникновений новых муцинов «на базе» пяти генов кластера SCPP. Такие события, зарегистрированные у предков носорога, панголина, мыши и крысы, у полорогих парнокопытных и у предка хищных, авторы назвали муцинизацией.

Ученым удалось в общих чертах воссоздать схему муцинизации. У большинства видов млекопитающих белки SCPP не похожи на муцины, но у отдельных организмов они выбиваются из общего уровня по аминокислотному составу и степени гликозилирования. В процессе эволюции в их генах происходила экспансия повторов (так же возник и MUC7), в результате чего аминокислотный состав таких белков приблизился к муцинам. Среди новых аминокислотных последовательностей появились PTS-повторы. Параллельно возникали изменения регуляторных последовательностей, отвечающих за экспрессию генов. Так в конечном итоге появлялись новые белки с функцией муцинов. Следы такой конвергентной эволюции исследователи обнаружили у 23 из 49 изученных видов млекопитающих.

Секвенирование РНК слюнных желез показало, что подвергнутые муцинизации гены действительно экспрессированы в слюнных железах, а жидкостная хромато-масс-спектрометрия белков слюны подтвердила, что эти белки есть в слюне. Электрофорез с окрашиванием сиаловых кислот показал, что к этим белкам действительно присоединено много остатков углеводов — так же, как у обычных муцинов.

Ученые пришли к выводу, что на протяжении эволюции млекопитающих у них на базе SCPP многократно возникали новые белки с совершенно другой структурой и функцией. Так появился и человеческий белок слюны, и белки большинства млекопитающих. Это стало возможно, поскольку гены оказались расположены в «горячей точке» экспансии нуклеотидных повторов — частота нужного для муцинизации типа мутаций здесь многократно выше, чем в среднем по геному. Часть предшественников муцинов, вероятно, была экспрессирована в слюнных железах, что упростило адаптацию машинерии регуляции транскрипции. И, естественно, без давления отбора возникшие таким образом муцины не смогли бы закрепиться.

Возможно, муцинизация происходила гораздо чаще. В других участках геномов авторы нашли еще около полусотни кандидатов в секреторные мукопротеины. Будущие исследования покажут, совпадение ли это, или за выявленными последовательностями скрываются неизвестные нам белки слизистых оболочек. Но уже сейчас ясно, что на протяженном периоде эволюции млекопитающих одну и ту же функцию много раз берут на себя изначально не «предназначенные» для этого белки.

Это не первое многократное независимое появление какого-либо признака в процессе эволюции. Многократно независимо возникала даже уловка птиц с якобы сломанным крылом. А более простые способы адаптации мы можем увидеть в эксперименте спустя год, или, в условиях наблюдений, — спустя несколько лет

Сергей Задворьев.