Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук (г. Москва)

Эта работа опубликована в сборнике научных трудов "Актуальные проблемы современной науки" c материалами X Юбилейной Международной Телеконференции (Том 2, №1, 2013 год) 

Мейоз – это деление созревания половых клеток, в результате которого происходят рекомбинация генетического материала, редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное. Вопрос о происхождении и эволюции механизма мейоза, в том числе белков, участвующих в мейотических процессах, является в настоящее время одним из актуальных в клеточной биологии [Maguire, 1992; Богданов, 2003]. Самой, пожалуй, интересной группой специфических мейотических белков являются белки синаптонемного комплекса (СК) – белковой структуры, формирующейся в профазе I мейоза между синаптирующими гомологичными хромосомами [Page, Hawley, 2004]. Вопрос о возможном происхождении этой группы белков мы решаем постепенно. На первом этапе мы показали, что сходство белков синаптонемного комплекса с прокариотическими белками весьма низкое, часто на уровне такового для случайных наборов аминокислот [Захаров и др., 2010]. На втором этапе нам удалось обнаружить, что среди примитивных эукариот родственные белки имеются у зелёных и бурых водорослей, части низших грибов и у инфузорий. Среди более высоко организованных организмов подобные белки имеют кишечнополостные животные [Гришаева, 2012]. В основном это белки, несущие общий с белками СК домен HORMA, структурирующий хромосомы и рекрутирующий другие белки. В настоящем исследовании мы сообщаем о результатах поиска белков, родственных белкам СК, в протеомах высших грибов, мхов, некоторых простейших и просто организованных многоклеточных животных.

Материалы и методы

Были исследованы практически все известные к настоящему времени белки СК семи модельных видов эукариот от дрожжей до мыши (табл.). Эти белки не гомологичны у представителей разных таксонов эукариот [Bogdanov et al,, 2007]. Они несут разные функциональные домены или вовсе лишены их. Аминокислотные последовательности белков СК искали в базах данных NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) и UniProtKB/TrEMBL (http://www.uniprot.org/uniprot/). В качестве контроля использовали случайные аминокислотные последовательности, генерированные из оригинальных белков программой RandSeq (ExPASy Proteomics Server, http://www.expasy.org/tools/randseq.html). С помощью программы Protein BLAST (NCBI) вели поиск последовательностей, сходных с белками СК, в протеомах высших грибов, мхов, некоторых простейших и просто устроенных многоклеточных животных (подробности далее). Показатель сходства Score (результат работы программы BLAST) учитывал три параметра: число совпадений аминокислот, число аминокислот одного типа и число так называемых gaps, т.е. тех случаев, когда в одном белке на данном месте есть аминокислота, а в другом она отсутствует. Абсолютные значения Score зависят от длины молекулы белка. Сравнивали максимальные показатели Score для белков изучаемой группы эукариот и соответствующих случайных последовательностей. В случае близких значений сравнивали средние показатели Score для 10 белков изучаемой группы эукариот и 10 случайных последовательностей, показавших наибольшее сходство с соответствующим белком СК. Статистическую оценку сходства проводили с помощью программы STATISTICA v.7 (StatSoft, www.statsoft.com).

Были изучены протеомы разных таксономических групп эукариот. В состав Eukaryota, помимо примитивных растений и животных (в настоящем исследовании представлены Euglenozoa), входят также Opisthokonta, включающие в себя хоанофлагеллят, грибы (изучены аско- и базидиомицеты) и Metazoa, Stramenopiles (они же Heterokonts), включающие, в частности, лабиринтулид и оомицетов, а также зелёные растения, в состав которых входят различные мхи. В свою очередь, в состав Metazoa входят Mesozoa, Placozoa, Porifera (губки) и Eumetazoa. Последние состоят из Cnidaria, Ctenophora (были исследованы ранее, см. Гришаева, 2012) и Bilateria. В Bilateria входят Gnathostomulida, Acoelomata (Platyhelminthes – плоские черви) и Coelomata (нами изучены нематоды, или круглые черви, и ещё несколько групп первичноротых, для которых в базе данных аннотировано мало белков).

Таблица. Исследованные белки синаптонемного комплекса (СК) эукариот и их функциональные домены

Sc – дрожжи Saccharomyces cerevisiae (Ascomycota), Sp – дрожжи Schizosaccharomyces pombe (Ascomycota), Dm – насекомое Drosophila melanogaster, At – растение Arabidopsis thaliana,  Ce – нематода Caenorhabditis elegans, Dr и Af – рыбы Danio rerio и Anoplopoma fimbria, Mm – млекопитающее Mus musculus. Домены SMC, Smc, SCP-1, COR1, RAD21 характерны для белков, структурирующих хромосомы. Домен HORMA узнаёт состояние хроматина и способствует взаимодействию с другими белками. PRK00409 участвует в рекомбинации. Цис-транс изомеразы катализируют изомеризацию молекул при наличии в них двойных связей. Остальные домены не имеют отношения к мейозу.

Результаты и обсуждение

Очень низкое сходство с белками синаптонемного комплекса (СК) среди изученных групп эукариот выявлено для оомицетов и лабиринтуловых, для Mesozoa, Gnathostomulida и нескольких групп первичноротых (Bryozoa, Cycliophora, Myzostomida, Nemertea, Rotifera, Nematomorpha, Scalidophora, Acanthocephala, Entoprocta и Gastrotricha). С другой стороны, выявлены сверхвысокие показатели сходства Score для белков СК дрожжей в протеомах аскомицетов и для белков СК нематоды в протеомах нематод (сходство «само на себя» и с родственными белками), чего и следовало ожидать. Если их не учитывать, то наивысшие показатели сходства с белками почти всех исследованных групп эукариот – у компонентов латеральных элементов СК с доменом HORMA, структурирующим хромосомы (Hop1 дрожжей, ASY1 и ASY2 арабидопсиса и в меньшей степени у HIM-3 нематоды). Максимальные показатели Score для Hop1 колеблются от 56 у хоанофлагеллят до 94 у Euglenozoa. Для белка ASY2 показатели намного выше - от 62 у плоских червей до 183 у мхов. Максимальные Score у белка ASY1: от 78 у хоанофлагеллят до 278 у мхов.

Компоненты СК, несущие другие домены (белки Zip1, C(3)G, SYCP1, ZYP1a), имеют невысокое, но достоверное сходство с белками хоанофлагеллят (65 для SYCP1 мыши), нематод (52 для ZYP1a арабидопсиса) и некоторых других групп эукариот. Стабильно высокие показатели сходства c белками почти всех изученных групп эукариот имеет белок FKBP6 мыши (до 208 у губок и плакозоа), но это фермент, а ферменты всегда более консервативны, чем структурные белки.

Очень интересно сходство компонентов СК позвоночных – SYCP3 и SC65 – с белками губок и плакозоа, а также нематод. Для контроля мы сравнили между собой SC65 мыши и рыбы (Score=456), а также SYCP3 мыши и рыбы (Score=263). Видно, что полученные показатели сходства этих двух белков с белками губок и плакозоа (110 и 116 соответственно) весьма велики. Ещё выше сходство SC65 позвоночных с белками нематод (макс. Score=130). У губки Amphimedon queenslandica найден белок, аннотированный как SYCP3, у аскариды – белок, аннотированный как SC65.

При анализе сходства компонентов центрального пространства СК (ЦП СК) с белками губок и плакозоа обнаружены высокие показатели сходства не только для оригинальных белков, но и для полученных на их основе специальной программой случайных аминокислотных последовательностей, содержащих аминокислоты в тех же пропорциях, что и оригинальные белки, и имеющих ту же длину. Причём высокие показатели сходства продемонстрировали разные случайные последовательности, генерированные для одного и того же оригинального белка. Это сходство показывают в основном два белка – XP_002107637.1 и XP_002111687.1 (оба аннотированы как гипотетические белки TRIADDRAFT из протеома представителя Placozoa – Trichoplax adhaerens). Что самое удивительное, эти два белка показывают высокое сходство с оригинальными и случайными белками СК дрожжей, дрозофилы, арабидопсиса, нематоды, мыши и рыбы! Мы предприняли их детальное изучение с целью выяснения причин такого феномена. Эти два белка чрезвычайно похожи друг на друга. Они имеют большие размеры – более 7 тысяч аминокислотных остатков (а.к.). В начале молекулы находятся лишь два небольших домена поверхностного белка, тогда как С-концевой фрагмент белка размером около 100 а.к. содержит очень интересные домены, и именно этот фрагмент показывает сходство с белками СК. Прежде всего, интересен домен Trichoplein, или mitostatin, который ранее был определён как мейоз-специфичный (!) структурный ядерный белок. Не менее интересен также домен SPEC, представляющий собой повторы, вовлечённые в цитоскелетные структуры, образующие альфа-спирали и формирующие димеры, что как раз роднит их с белками ЦП СК. Наличие таких повторов может объяснить высокую степень сходства даже случайных аминокислотных последовательностей с белками TRIADDRAFT, так  как известно, что все альфа-спирали имеют около 20% сходства между собой за счёт повторяющихся «реперных» гидрофобных  аминокислот [Meuwissen et al., 1992]. В С-концевом фрагменте белков TRIADDRAFT выявляются также домены Smc, SMC_N и SMC_prok_B, характерные для многих белков ЦП СК. Интересно, что «обратный BLAST», т.е. поиск в протеомах дрозофилы и мыши белков, сходных с XP_002107637.1 и XP_002111687.1, выявил сходство последних с миозинами, которые, в свою очередь, наиболее близки к белкам ЦП СК [Богданов и др., 2002].

Выводы

Таким образом, стабильно высоким сходством с белками эукариот выделяются

белки латеральных элементов СК, несущие домен HORMA (Hop1 Sc, HIM-3 Ce, ASY1и ASY2 At, ср. Гришаева, 2012). Фермент  FKBP6 мыши также имеет родственные белки во многих эукариотических таксонах. Кроме этих белков, высоким сходством с белками некоторых групп эукариот обладают также белки позвоночных SC65 и SYCP3. Для других компонентов СК пока не найдены достаточно близкие белки.

Работа поддержана грантом РФФИ №10-04-00666-а.

Список использованной литературы

Maguire M. P. (1992) Evolution of meiosis. J. Theor Biol. V. 154. P. 43-55.

Богданов Ю.Ф. (2003) Изменчивость и эволюция мейоза. Генетика. Т. 39. С. 453-473.

Page S.L., Hawley R.S. (2004) The genetics and molecular biology of the synaptonemal complex. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. V. 20. P. 525-558.

И.А. Захаров, С.Я. Дадашев, Т.М. Гришаева (2010) Ортологи белков мейоза в протеомах прокариот. Доклады Академии наук. Т. 435. №5. С. 696-698.

Гришаева Т.М (2012) К вопросу об эволюции мейоза: как возникли белки синаптонемного комплекса эукариот? Актуальные проблемы современной науки 2012. Межвузовский сборник научных трудов с материалами 7-ой телеконференции. Томск: ООО «Крокус». С. 55-57.

Bogdanov Y.F., Grishaeva T.M., Dadashev S.Y. (2007) Similarity of the domain structure of proteins as a basis for the conservation of meiosis. Intern. Rev. Cytol. V. 257. P. 83-142.

Meuwissen R.L.J., Offenberg H.H., Dietrich A.J.J., Riesewijk A., van Iersel M., Heyting C. (1992) A coiled-coil related protein specific for the synapsed regions of meiotic prophase chromosomes. EMBO J. V. 11. P. 5091-5100.

Богданов Ю.Ф., Дадашев С.Я., Гришаева Т.М. (2002) Сравнительная геномика и протеомика дрозофилы, нематоды Бреннера и арабидопсиса. Идентификация функционально сходных генов синапсиса мейотических хромосом. Генетика. Т.38. №8. С.1078-1089.