Περίληψη:
Η μελέτη των γεγονότων συγχώνευσης και διάσπασης γονιδίων είναι μεγάλης
σημασίας για τη διερεύνηση των εξελικτικών μοτίβων των πρωτεϊνών και των
οργανισμών, καθώς και για την πρόβλεψη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων. Στην
παρούσα μελέτη τα γεγονότα συγχώνευσης/διάσπασης γονιδίων, χρησιμοποιούνται για
την έρευνα της πρωτεϊνικής εξέλιξης σε 104 καλά μελετημένα παθογόνα για τον
άνθρωπο βακτήρια. Τα παθογόνα βακτήρια εξελίσσονται με έναν ασυνήθιστο τρόπο
(μειωτική εξέλιξη, reductive evolution), εξαιτίας της αλληλεπίδρασής τους με
τον ξενιστή. Τα βακτήρια αυτά βρίσκονται σε κατάσταση επιλεκτικής πίεσης στο
περιβάλλον του ξενιστή, το οποίο είναι αρκετά νέο και αφιλόξενο γι' αυτούς. Ένα
τέτοιο περιβάλλον οδηγεί στην εξέλιξη ενός πιο πλαστικού γονιδιώματος, το οποίο
επιτρέπει την εμφάνιση ενός μεγάλου αριθμού ανασυνδυασμών. Η μεγαλύτερη
συχνότητα των ανασυνδυασμών, μαζί με την υψηλή εξελικτική πίεση, φαίνεται να
επηρεάζει τον βαθμό εμφάνισης των γεγονότων συγχώνευσης και διάσπασης γονιδίων.
Παλαιότερες μελέτες, σε μη παθογόνα βακτήρια και ευκαρυωτικούς οργανισμούς,
έχουν δείξει ότι τα γεγονότα συγχώνευσης/διάσπασης γονιδίων είναι συνήθως
μοναδικά, δηλαδή έχουν συμβεί μόνο μια φορά κατά την εξέλιξη των ειδών, και ότι
τα γεγονότα συγχώνευσης υπερισχύουν πάντα, των γεγονότων διάσπασης. Σύμφωνα με
την παρούσα μελέτη όμως, στα παθογόνα βακτήρια οι κανόνες αντιστρέφονται, αφού
υπερισχύουν τα γεγονότα διάσπασης (86%), έναντι των γεγονότων συγχώνευσης, και
συναντώνται πολλαπλά γεγονότα σε υψηλό ποσοστό (22%), όπου οι ίδιοι
ανασυνδυασμοί έχουν συμβεί πολλές φορές κατά την εξέλιξη των παθογόνων
βακτηρίων. Συνέπεια αυτών των ανασυνδυασμών είναι η αύξηση των πολλαπλών
γεγονότων (22%), τα οποία, μέχρι σήμερα θεωρούνταν ως η εξαίρεση στον κανόνα
της μοναδικότητας των γεγονότων συγχώνευσης ή διάσπασης γονιδίων κατά την
πορεία της εξέλιξης. Η υπερίσχυση των γεγονότων διάσπασης παρατηρείται για
πρώτη φορά, διότι άλλες παλαιότερες μελέτες διαφορετικών ομάδων οργανισμών,
έχουν αποδείξει ότι τα γεγονότα συγχώνευσης υπερισχύουν πάντα, των γεγονότων
διάσπασης.
Βάση φυλογενετικής ανάλυσης εξετάσθηκε επίσης πόσα από τα γεγονότα
συγχώνευσης/διάσπασης γονιδίων μπορούν να αποδωθούν πριν ή μετά τη
διαφοροποίηση των βακτηρίων (νωρίς ή αργά κατά την εξέλιξη, αντίστοιχα). Τα
γεγονότα που συνέβησαν αργά κατά την εξέλιξη των παθογόνων αυτών βακτηρίων,
όταν μελετώνται ξεχωριστά, παρουσιάζουν ακόμη υψηλότερα ποσοστά σε πολλαπλά
γεγονότα και γεγονότα διάσπασης γονιδίων (44% και 94%, αντίστοιχα). Σε αντίθεση
11
με την πιο πρόσφατη εξελικτική πορεία των παθογόνων για τον άνθρωπο βακτηρίων,
η πρώιμή τους εξέλιξη χαρακτηρίζεται από μία έντονη κυριαρχία των γεγονότων
συγχώνευσης γονιδίων (81%) έναντι των γεγονότων διάσπασης (13%). Οι διαφορές
αυτές ανάμεσα στις δύο διαφορετικές εξελικτικές περιόδους, αποκαλύπτουν ότι
νωρίς
κατά την εξέλιξη των βακτηρίων αυτών, οι δομικά πιο πολύπλοκες πρωτεΐνες
επιλέχθηκαν θετικά, πιθανώς διότι παρουσιάζουν πιο εξειδικευμένη λειτουργία και
παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του μεταβολισμού. Αργά κατά την πορεία
της εξέλιξης, όμως, η επιλογή τείνει προς τις δομικά απλούστερες πρωτεΐνες, οι
οποίες και χαρακτηρίζονται από τις πολλαπλές, ευέλικτες και λιγότερο
εξειδικευμένες
λειτουργίες τους.
Αυτές οι μικρότερες πρωτεΐνες είναι πολύ χρήσιμες για την προσαρμογή ενός
οργανισμού σε ένα νέο περιβάλλον, διότι έχουν την ικανότητα να καλύψουν την
ανάγκη για την ανάπτυξη νέων λειτουργιών. Τα παθογόνα για τον άνθρωπο βακτήρια
βρίσκονται υπό πίεση για να προσαρμοστούν σε έναν, συγκριτικά με άλλα
θηλαστικά, νέο ξενιστή, ο οποίος έχει αναπτύξει πολύ αποδοτικούς αμυντικούς
μηχανισμούς (εξελιγμένο ανοσοποιητικό σύστημα, αντιμικροβιακή φαρμακευτική
χρήση). Η προσαρμογή των παθογόνων για τον άνθρωπο βακτηρίων στο περιβάλλον του
ξενιστή, εξαρτάται απόλυτα από την παραγωγή νέων και περισσότερο ευέλικτων
λειτουργικά πρωτεϊνών, διότι η ποικιλομορφία και η ικανότητα των βακτηρίων να
ανταλλάσσουν γενετικό υλικό, είναι σημαντικά μειωμένη από τον περιορισμό που
δέχονται από τον ξενιστή. Για αυτό το λόγο οι μικρότερες πρωτεΐνες, οι οποίες
είναι αποτέλεσμα των γεγονότων διάσπασης γονιδίων, επιλέγονται θετικά κατά την
διάρκεια της πιο πρόσφατης εξέλιξης των παθογόνων για τον άνθρωπο βακτηρίων.
Η εξελικτική μελέτη μπορεί να οδηγήσει και στην ανάπτυξη νέων εφαρμογών. Η
παρούσα μελέτη προτείνει μία νέα μέθοδο πρόβλεψης πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων,
με την προσθήκη ενός επιπλέον φίλτρου στην προϋπάρχουσα ανάλυση Rosetta Stone.
Η νέα μέθοδος ονομάζεται Champollion Profiling και βελτιώνει την πρόβλεψη
πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων σε σύγκριση με την ανάλυση Rosetta Stone (25%
έναντι 9% πιθανότητα τα αποτελέσματα να αντιστοιχούν σε πραγματικές
αλληλεπιδράσεις).
Λέξεις-κλειδιά:
Συγχώνευση, Διάσπαση, Εξέλιξη, Παθογόνα, Αλληλεπίδραση
