Учреждение Российской
академии наук Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН (Москва)
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]. Ранее мы показали, что
некоторые структурные белки мейоза тяготеют к бактериальным, тогда как другие –
к архейным. Однако сходство этой группы белков с прокариотическими белками
весьма низкое, часто на уровне такового для случайных наборов аминокислот [Захаров
и др., 2010]. Задачей настоящего исследования явился поиск в протеомах примитивных
эукариот и кишечнополостных животных белков, сходных с известными белками
синаптонемного комплекса (СК) – белковой структуры, формирующейся между
конъюгирующими гомологами в профазе I мейоза.
Материалы и методы
Были исследованы практически
все известные к настоящему времени белки СК семи модельных видов эукариот от
дрожжей до человека (табл.). Эти белки не гомологичны у представителей разных
таксонов эукариот [Bogdanov, 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 сходных последовательностей в протеомах
водорослей, низших грибов, простейших и кишечнополостных (подробности в
тексте). 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.
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).
Таблица. Исследованные белки
синаптонемного комплекса (СК) эукариот и их функциональные домены
Белки центрального
пространства СК (в скобках - функциональные домены)
|
Белки латеральных элементов
СК и прочие белки СК (в скобках - функциональные домены)
|
Zip1 Sc (SMC эу- и
прокариотические)
C(3)G Dm (SMC эу- и прокариотические)
CORONA Dm
SYP-1 Ce (SMC эу- и
прокариотические)
SYP-2 Ce
SYP-3 Ce
SYP-4 Ce
ZYP1a At (SMC прокариотический)
ZYP1b At (SMC прокариотический)
SYCP1 Dr (SCP1)
SYCE1 Dr
SYCE2 Dr
TEX12 Af
SYCP1 Mm (SCP1)
SYCE1 Mm (SMC прокариотический)
SYCE2 Mm
TEX12 Mm
|
Hop1 Sc (HORMA)
Hop1 Sp (HORMA, RING finger)
Red1 Sc (Red1)
Rec10 Sp (Red1)
C(2)M Dm (Rad21/Rec8)
HIM-3 Ce (HORMA)
ASY1 At (HORMA)
ASY2 At (HORMA)
SYCP2 Dr
SYCP3-like Dr (COR1)
SC65 Dr - synaptonemal complex protein
SYCP2 Mm
SYCP3 Mm (COR1)
SC65 Mm - synaptonemal complex protein
|
Sc – дрожжи Saccharomyces cerevisiae,
Sp – дрожжи Schizosaccharomyces pombe,
Dm – насекомоеDrosophila melanogaster, At – растение Arabidopsis thaliana, Dr – рыба Danio rerio, Af – Anoplopoma fimbria
(рыба, заменившая Данио в одном из экспериментов), Mm – млекопитающее Mus musculus. Домены SMC, SCP1, COR1, RAD21 характерны для белков, структурирующих хромосомы.
Домен HORMA узнаёт состояние хроматина и способствует
взаимодействию с другими белками.
Результаты и обсуждение
В протеомах большинства
водорослей не выявлены белки, обладающие сколь-нибудь заметным сходством с
известными белками СК (показатели сходства были либо на уровне таковых для
случайных последовательностей, либо слегка превышали их). Это касается
криптофитовых водорослей (Cryptophyta, общее
количество белков в базе данных NCBI составляет
4591), диатомовых (Diatoms или Bacillariophyta,
количество белков 48555), красных водорослей (Rhodophyta, количество белков 21815), а также группы из 5
таксонов, объединённых по причине малого количества секвенированных геномов и,
соответственно, малого количества белков в базе (общее количество белков 7517).
Она состоит из Euglenophytes, Chrysophytes, Charophytes, Xantophyceae, Pyrrophyta (или Dinoflagellates). Лишь у двух групп водорослей – зелёных (Chlorophyta, количество белков 156803) и бурых (Phaeophyceae, количество белков 27435) – найдены белки, обладающие существенным
сходством с белками СК. Такие белки найдены прежде всего для компонентов
латеральных элементов СК - Hop1 Sc, HIM-3 Ce, ASY1, ASY2 At (максимальные
показатели сходства до 163). И найденные белки, и компоненты СК имеют домен HORMA. У зелёной водоросли Ectocarpus siliculosus
обнаружен прямой гомолог белка HOP1. Из белков центрального
элемента СК более-менее значимые показатели сходства только у белков,
формирующих центральный элемент СК – C(3)G, ZYP1a (у этих белков прокариотические домены SMC), SYCP1 Dr и Mm (домен SCP-1). Максимальные
показатели сходства 49 (для зелёных водорослей) и 53 (для бурых).
Были исследованы также
протеомы двух групп низших грибов. Для Blastocladiomycota, Chytridiomycota,
Glomeromycota, Kickxellomycotina,
Zoopagomycotina, Entomophthoromycotina, Mucoromycotina, Nephridiophagidae и Olpidiaceae (общее количество белков в базе данных 12709) найдены
белки с доменом HORMA, сходные с компонентами СК –
Hop1 Sc, ASY1 и ASY2 At (максимальные показатели сходства от 87 до 126). В
протеомах низших грибов Microsporidia
(20596 белков) также выделяются показателями сходства белки с доменом HORMA, аналогичные HOP1 Sc, Hop1 Sp, ASY1 и ASY2 At. Однако максимальные показатели Score в этом случае невысоки (от 50 до 55).
Из простейших животных
наименьшие показатели сходства своих белков с компонентами СК демонстрируют
солнечники, лучевики и другие животные, объединённые в группу Rhizaria (3426 белков), а также споровики Myxosporea (43 белка). Показатели сходства находятся на уровне
таковых для случайных белков или чуть выше. Немного превышают контрольный
уровень и показатели Score для белков
амебоидных животных (Amoebozoa,
119387 белков). Наивысшие показатели сходства (до 60) имеют белки инфузорий (Ciliophora, количество белков в базе данных 144165). При этом
они сходны с разными компонентами СК - Zip1 Sc, ZYP1a и ZYP1b At, SYCP1 Dr, SYP-1 Ce, SYCE1 Mm и Hop1 Sp.
Наиболее интересные
результаты получены для кишечнополостных (стрекающих Cnidaria и гребневиков Ctenophora, общее количество белков 81390). Высоким сходством с
компонентами СК (Hop1 Sc, HIM-3 Ce, ASY1 и ASY2 At) выделяются
белки, несущие домен HORMA
(максимальные показатели сходства от 63
до 137). Кроме того, в протеомах кишечнополостных найдены возможные дальние и
близкие родственники второстепенных белков СК высших эукариот – SYCE2 мыши и
рыбы (Score 63 и 52), SC65 мыши
и рыбы (Score 100 и 105). Очень высокое сходство с белками
кишечнополостных имеют также белки SYCP3
мыши и рыбы (148 и 143). При этом белки SC65 и SYCE2 не имеют
функциональных доменов.
Чтобы указанные выше цифры
были понятнее, приведём некоторые другие показатели из этого ряда. Высококонсервативный
мейотический фермент DMC1 мыши даёт
следующие максимальные показатели сходства: при сравнении с белками Danio rerio – 622,
Caenorhabditis elegans –
307, Arabidopsis thaliana –
391, Drosophila melanogaster
– 310, Saccharomyces cerevisiae –
372. Аналогичные показатели для гораздо менее консервативного структурного
белка СК – SYCP1 мыши – следующие: 320, 49,
38, 42, 33. Отсюда понятно, что показатели сходства белков СК с белками
примитивных эукариот или кишечнополостных, превышающие 100, уже могут указывать
на близкое родство некоторых белков, хотя речь не идёт об их гомологии.
Выводы
Таким образом, наибольшим
сходством с известными белками синаптонемного комплекса (СК) обладают белки,
несущие общие с ними функциональные домены. Прежде всего, это белки с доменом HORMA, узнающим состояние хроматина и рекрутирующим другие
белки (у бурых и зелёных водорослей, части низших грибов, кишечнополостных).
Видимо, такие белки имеют широкое распространение у всех эукариот. У бурых
водорослей найден прямой гомолог белка латерального элемента СК - Hop1.
Меньшим сходством с белками
примитивных эукариот обладают белки СК, несущие домены SMC и SCP, отвечающие
за взаимодействие с хроматином.
Наиболее интересным результатом
является обнаружение у кишечнополостных животных если не прямых, то,
несомненно, близких родственников для второстепенных белков СК высших эукариот –
SYCP3 мыши и рыбы Данио, являющихся компонентами
латерального элемента СК, белков SC65 мыши и рыбы, аннотированных просто как белки СК, и
в меньшей степени для SYCE2 мыши и
рыбы Данио, входящих в состав центрального элемента СК.
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.
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.
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.
|