Часто думают, что ДНК вместе с закодированными в ней генами составляет сущность жизни. Но не менее важна координация, когда гены включаются и выключаются. На самом деле именно этот процесс, называемый регуляцией экспрессии генов, определяет жизнь, позволяя организмам реагировать на свое окружение, а не быть статичными автоматами. Поскольку даже самые маленькие организмы, такие как бактерии, имеют много генов, координация их экспрессии осуществляется с помощью специального набора белков, которые связываются с определенными участками ДНК (называемыми «промоторами»), чтобы включать или выключать гены. Каждое такое соединение между белком и ассоциированным с ним промотором представляет собой одно из множества соединений в сети регуляции генов организма.
Регуляторные сети генов сложно настроены, так как же они могут развиваться и изменяться? В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Ecology and Evolution, группа исследователей из Института науки и технологий Австрии (IST Austria), в том числе соавторы Клаудия Иглер (аспирант в группе Калина Гуэта) и Мато Лагатор (постдоктор в Guet group), а также Calin Guet, Gašper Tkačik и Jonathan Bollback (Ливерпульский университет) описывают, как со временем могут меняться отдельные регулятивные связи.
Обычно регуляторные сети генов изучаются на глобальном уровне, и исследователи стремятся понять, как свойства сети в целом определяют ее эволюцию. Однако Иглер и др. решили изучить эволюцию сети с локальной точки зрения, чтобы понять, как меняются соединения в сети. Для этого они использовали два ДНК-связывающих белка и связанные с ними промоторы. Эти белки называются «репрессорами», поскольку их связывание с ДНК ингибирует экспрессию генов.
Затем исследователи внесли мутации в промоторы и наблюдали, как эти изменения повлияли на связывание репрессоров. Репрессоры могут реагировать на изменения двумя способами, говорит Иглер: «Репрессор может быть устойчивым, что означает, что мутации не сильно на него влияют, поскольку он сохраняет связь с промотором, несмотря на мутации. В качестве альтернативы репрессор может эволюционировать, что означает, что он легко реагирует на мутации, приобретая связывание с новыми промоторами. Эти две реакции на мутации кажутся по определению взаимоисключающими - белок, который более устойчив к мутациям, должен меньше реагировать на мутации и, следовательно, должен быть менее подвержен эволюции!»
Но, как это часто бывает, биология полна сюрпризов. Сравнивая два исследованных репрессора, исследователи обнаружили, что более надежный репрессор с большей готовностью связывается с новыми промоторами.
Разработав биофизическую модель, основанную на термодинамике связывания белка с ДНК, исследователи смогли не только объяснить свои удивительные наблюдения, но и обобщить свои выводы, как описывает Иглер: «Как репрессоры реагируют на мутации в их сайты связывания показывают, как они могут функционировать в регуляторной сети. Одна группа репрессоров, локальные, очень специфичны - они связываются только с горсткой промоторов и не приобретают новые связывания легко. Другая группа репрессоров, глобальные, неразборчив в связях и продолжает связываться со своим промоутером, даже если он сильно мутирован, а также легко начинает связываться с новыми сайтами».