Strona główna > biologia, ewolucja, nauka > Podwójne drożdże

Podwójne drożdże

Październik 12, 2007 Dodaj komentarz Go to comments

Duplikacja genów odgrywa ważną rolę w ewolucji. Przykładem mogą być choćby grzyby. Wiadomo, że w historii drożdży nastąpiła duplikacja nie tylko pojedynczych genów, ale ich całego genomu. Naukowcy stwierdzili, że osiem chromosomów przodka S. cerevisiae uległo podwojeniu, a potem większość zduplikowanych genów uległa unieczynnieniu w wyniku mutacji. Jednak nie wszystkie. Niektóre kopie nadal działają. Co mogą robić dodatkowe geny? Czasem po prostu dostarczają więcej białka, czasem mutacje powodują, że zaczynają pełnić nowe funkcje, a czasem są gdzieś po środku. W Nature ukazała się właśnie praca opisująca, jak potoczyły się losy jednego ze zduplikowanych genów.

Zainteresowanie badaczy skupiło się na powstałych w wyniku duplikacji genach GAL1, kodującym galaktokinazę, i GAL3, kodującym białko Gal3p. Oba (w towarzystwie jeszcze paru genów) biorą udział w metabolizmie cukru zwanego galaktozą. Kiedy komórka ma dostęp do lepszego źródła węgla, poziom ekspresji enzymów biorących udział w metabolizmie galaktozy jest właściwie niewykrywalny. Białko Gal4p aktywujące transkrypcję enzymów (w tym galaktokinazy) jest związane z promotorami tych genów, ale nic nie może zrobić, bo związane z nim białko Gal80p (represor) zasłania domenę aktywującą. Jednak kiedy komórka nie ma dostępu do preferowanego cukru – glukozy, ale za to w pożywce pojawia się galaktoza, sytuacja się zmienia i transkrypcja enzymów zaangażowanych w metabolizm tego węglowodanu wzrasta. Zaczyna się od tego, że galaktoza wiąże się z białkiem Gal3p. Zaktywowane Gal3p wiąże represor (Gal80p), dzięki temu aktywator (Gal4p) może aktywować transkrypcję genów kodujących enzymy, w tym galaktokinazę.

U drożdży Kluyveromyces lactis na pierwszy rzut oka wygląda to podobnie, ale ich genom nie uległ duplikacji. Mają więc jedno białko, które jest równocześnie enzymem galaktokinazą i induktorem transkrypcji – pełni funkcjee i Gal1p, i Gal3p. Takie dwufunkcyjne białko – Gal1/3 – miał też przodek S. cerevisiae, zanim doszło do duplikacji jego genomu. Po duplikacji kopie genu „podzieliły się” pierwotnymi funkcjami. Za część tej zmiany odpowiada mutacja, przez którą Gal3p straciło dwa aminokwasy, serynę i alaninę (SA), od których zależy aktywność enzymatyczna galaktokinazy.

Naukowcy postanowili zbadać, jak sobie radzą drożdże wyposażone w różne warianty Gal1, Gal3, i Gal1/3, żeby na tej podstawie dowiedzieć się czegoś więcej o molekularnych podstawach ewolucji Gal1 i Gal3. Porównali to hodując razem na galaktozie dwa szczepy drożdży, do których wprowadzili różne warianty badanego genu. Żeby łatwo odróżnić poszczególne szczepy, dodatkowo każdy szczep otrzymał gen kodujący jeden z wariantów białek fluorescencyjnych. Okazało się, że drożdże S. cerevisiae, u których zastąpi się gen GAL1 genem GAL3 z dodanymi seryną i alaniną, radzą sobie gorzej od tych z genem GAL1. Białko Gal3p+SA jest więc gorszym enzymem od Gal1p. Dalsze porównania wykazały, że jest też gorszym induktorem transkrypcji, niż Gal3p. Naukowcy zaczęli podejrzewać, że dwie funkcje – galaktokinazy i induktora transkrypcji – wzajemnie się ograniczają. Być może posiadanie domeny z seryną i alaniną, która zapewnia aktywność galaktokinazy, utrudnia funkcjonowanie jako induktor transkrypcji? Jednak usunięcie dwóch kluczowych aminokwasów z Gal1p wcale nie spowodowało, że stał się on świetnym induktorem.

Badacze postanowili więc zbadać sekwencje regulujące transkrypcję tych dwóch genów. Zaczęli od tego, że pozamieniali im promotory, i porównali różne kombinacje. Takie podmianki źle wpłynęły na kondycję drożdży. Promotor induktora zbyt słabo odpowiada na obecność galaktozy, więc komórki gdzie kontroluje on ekspresję galaktokinazy, produkują za mało enzymu. Z kolei przy odwrotnej zamianie silna represja transkrypcji za pomocą promotora galaktokinazy powoduje, że powstaje zbyt mało induktora, żeby w obecności galaktozy pozbył się represora i umożliwił odpowiednio wydajną transkrypcję. Kiedy umieści się promotor dwufunkcyjnego genu Gal1/3 z K. lactis w S. cerevisiae, okazuje się, że podstawowy poziom kontrolowanego przez niego białka jest stosunkowo wysoki – wystarczająco, żeby jego ilość wystarczała do działania jako induktor (Gal3). Natomiast indukcja transkrypcji z tego promotora przez galaktozę, choć mocniejsza od indukcji promotora Gal3, jest wyraźnie słabsza, niż dla promotora galaktokinazy (Gal1). Naukowcy stwierdzili, że silne hamowanie bazowej aktywności promotora Gal1 oraz wysoki poziom transkrypcji w odpowiedzi na galaktozę spowodowane są mutacją w sekwencji promotora, dzięki której zmieniło się ułożenie miejsc wiązania aktywatora transkrypcji (Gal4). A uzyskana w ten sposób wysoka indukcyjność – czyli produkcja większej ilości enzymu galaktokinazy w odpowiedzi na galaktozę – powoduje wzrost dostosowania.

Drożdże K. lactis też radzą sobie lepiej, jeśli dostaną promotory z S. cerevisiae, dzięki którym mogą wyprodukować więcej enzymu w odpowiedzi na galaktozę. Jednak ponieważ mają tylko jeden gen, ktory pełni funkcję galaktokinazy i induktora, nie mogą sobie na to pozwolić, bo skutek uboczny – represja transkrypcji bazowej – upośledziłby funkcjonowanie induktora. Dopiero duplikacja genomu u przodka S. cerevisiae, dzięki której zyskał on drugą kopię genu wraz z sekwencjami regulatorowymi, umożliwiła podział funkcji i lepszą specjalizację.

Kategorie:biologia, ewolucja, nauka
  1. Październik 13, 2007 o 6:25 am

    Hej! Nie mam Twojego adresu e-mail, więc podsyłam tutaj interesujący (dla mnie😉 ) wpis o aseksualnych organizmach i ich ewolucji: http://richarddawkins.net/article,1740,n,n

  2. Październik 20, 2007 o 12:11 am

    mówisz – masz😉

  1. Październik 20, 2007 o 12:13 am
  2. Listopad 28, 2007 o 5:50 pm

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

%d bloggers like this: