В биологии есть хитроумные способы маскировки последствий потенциально опасных генных мутаций. Ученые исследуют, как работает эта "буферизация" и как ее использовать.
Наш геном полон мутаций, которые потенциально могут нанести ущерб нашему здоровью или даже убить нас. Однако большинство из них редко вызывают проблемы. Почему? Отчасти это происходит благодаря семейству белков, которые маскируют, или "буферизуют", негативные последствия, которые в противном случае вызвали бы эти мутации. Такая буферизация может помочь объяснить, почему варианты генов вызывают заболевания у одних людей, но, по-видимому, оказывают ограниченное влияние или вообще не оказывают его на других. Это также может лежать в основе понимания того, как некоторые раковые клетки и патогены угрожают своим хозяевам и избегают воздействия лекарств. И это позволяет накапливать генетические вариации в популяциях, обеспечивая потенциальный ресурс для будущей эволюции.
Исследователям уже несколько десятилетий известно, что одним из наиболее важных факторов мутационной буферизации является белок под названием HSP90 и семейство других HSP-белков. Сейчас биологи изучают роль этих белков более подробно, чем когда-либо прежде, благодаря достижениям в таких технологиях, как скрининг клеток и генетическое редактирование, а также наличию больших баз геномных данных и медицинских карт. Достижения последних двух десятилетий “изменили наш взгляд на буферизацию HSP90 как на теоретическую идею, превратив ее в идею, имеющую непосредственное и важное практическое применение, особенно в клинике”, - говорит генетик Георгиос Каррас. Например, HSP90 может снижать риск развития рака молочной железы, ассоциированный с геном BRCA1, у некоторых людей. Уже разрабатываются некоторые лекарственные препараты, нацеленные на буферные белки.
Исследователи давно предполагали, что эти белки могут влиять на ход эволюции и результаты, полученные за последние несколько лет, укрепили это предположение. Обеспечивая процветание организмов, несмотря на наличие опасных генных мутаций, буферные белки создают резерв вариаций, который может высвобождаться в условиях экологического стресса, вызывая быстрое появление новых адаптаций. Таким образом, говорит Каррас, HSP90, вероятно, “сформировал адаптивную эволюцию жизни на Земле”.
В 1950-х годах биолог Конрад Уоддингтон хотел изучить, как окружающая среда влияет на физические особенности животного. Он держал куколок плодовой мушки при температуре 40 °C в течение нескольких часов — гораздо более высокой температуре, чем обычно. Уоддингтон увидел, что этот тепловой шок привел к появлению новых форм крыльев у некоторых из вылупившихся мух. Путем селекционного разведения мух с аномальными крыльями мутантные фенотипы затем появлялись даже без термической обработки. Они стали генетически фиксированными. Это наводило на мысль, что генетические вариации, лежащие в основе этих фенотипов, уже присутствовали в популяциях мух, но были каким-то образом скрыты до тех пор, пока их не выявила термическая обработка.
Работа Уоддингтона озадачила его современников. Это, казалось, не соответствовало преобладающему представлению о том, как гены приводят к возникновению наследуемых признаков. Независимые исследования, проведенные в последующие десятилетия, выявили гены, которые активировались при воздействии тепла; белки, продуцируемые этими генами, стали известны как белки теплового шока (HSP). Затем, в 1998 году, молекулярные биологи Сюзанна Резерфорд и Сьюзан Линдквист связали активность этих белков со странными эффектами, которые наблюдал Уоддингтон. Они скрестили плодовых мушек из стандартных лабораторных штаммов с мухами, которые несли мутации в гене под названием Hsp83 (мушиный эквивалент HSP90 у человека). Около 1,7% скрещенных штаммов имели дефекты развития, включая деформацию брюшной полости, отсутствие глаз и деформацию ног и крыльев. Почему одна генетическая мутация привела к такому широкому спектру изменений? Исследователи пришли к выводу, что в популяции обычных мух должен существовать скрытый пул мутаций и они нашли главный выключатель, который высвободил их все. Линдквист полагал, что белок HSP90 действует как “конденсатор для морфологической эволюции”, сохраняя генетические вариации скрытыми. Выключите его, и весь ад обрушиться на вас.
Поскольку организмы не могут быть слишком чувствительны к мутациям, если они вообще хотят оставаться жизнеспособными, в сложные сети, образованные генами и их взаимодействиями, вплетены различные формы буферизации, объясняет генетик Кристин Квич. Например, механизмы могут быть усилены за счет наличия резервной копии на случай сбоя одного из генов. Буферизация может также включать в себя более сложную перестановку функций генов способами, которые до сих пор до конца не изучены: например, циклы обратной связи, которые повышают активность одного гена, чтобы компенсировать сбои в работе другого.
После новаторской работы Линдквиста HSP90 и более широкое семейство белков HSP были признаны ключевыми компонентами в механизмах буферизации. Эти теплозащитные белки содержатся в самых разных организмах - от бактерий до человека. Высокие температуры могут привести к денатурации многих белков и потере их функциональной свернутой структуры. HSP90 - это "молекулярный шаперон", который помогает денатурированным белкам повторно сворачиваться. Его много в клетках: он составляет около 1% от общего содержания белка в клетках человека.
HSP90 помогает синтезировать широкий спектр "клиентских" белков, многие из которых лежат в основе важных процессов. К ним относятся рецепторы гормонов, факторы транскрипции и молекулы, передающие клеточные сигналы. Теперь ясно, что HSP90 не только помогает защитить организм от теплового шока, но и обеспечивает функционирование белков в нормальных условиях, несмотря на мутации, которые в противном случае могли бы нарушить их сворачиваемость. Но есть пределы тому, с каким стрессом может справиться HSP90. В периоды стресса потребность в нем может быть выше и он не в состоянии сдерживать генетические вариации. Это не обязательно плохо, потому что некоторые генетические варианты могут давать преимущества некоторым организмам — фенотипы, которые могут помочь популяции справляться со стрессом. Затем эти варианты могут стать доминирующими в популяции в результате отбора.
HSP90 не одинок. В ходе проведенных за последние несколько лет исследований было выявлено еще несколько важных генов, не относящихся к семейству HSP. В 2024 году бельгийский генетик Кевин Ферстрепен и его коллеги использовали высокопроизводительный метод для идентификации буферных генов в дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Они взяли около 5000 штаммов, у каждого из которых был удален свой ген, а затем использовали ультрафиолетовый свет, чтобы случайным образом вызвать новые мутации. Если бы удаленный ген был вовлечен в буферизацию, ожидалось больше изменений в росте или других характеристиках, когда клетки подвергаются воздействию ультрафиолета. В ходе исследования было выявлено несколько генов с сильными эффектами такого рода, все из которых участвуют в сворачивании белка (аналогично HSP90) или в организации хроматина, ДНК–белкового комплекса, который образует хромосомы. Но Ферстрепен говорит, что вопрос о том, что представляет собой буферный ген, остается открытым: многие, если не большинство, генов взаимодействуют с другими. “Нет четкого определения масштабов генетических взаимодействий, которые должен иметь ген, прежде чем мы назовем его буферным геном”, - говорит Ферстрепен. “Это своего рода произвольное ограничение”.
Однако HSP90 остается образцом для подражания в этой области. Это объясняется тем, что он очень чувствителен к стрессам — он играет важную роль, связывая биологию организма с окружающей средой, — и тем, что его белки-клиенты играют важную роль в формировании фенотипов. Если есть проблемы с HSP90, дефектные варианты генов или случайные мутации, которые постоянно происходят в наших клетках, особенно когда мы подвергаемся стрессам, таким как ультрафиолетовое излучение, алкоголь и сигаретный дым, могут привести к возникновению проблем. “Если у кого-то отсутствует буферный ген или у него буферный ген с более низкой активностью, этот человек может быть более восприимчив к эффектам новых, случайных или уже присутствующих мутаций”, - говорит Ферстрепен.
Вот почему буферизация становится предметом пристального внимания биомедицинских исследований. В 2017 году Каррас впервые определил роль двух буферных белков, HSP90 и HSP70, в здоровье человека. Исследователи изучили буферизацию белков FANC, которые участвуют в восстановлении поврежденной ДНК. Мутации в генах, кодирующих эти белки, связаны с редким заболеванием - анемией Фанкони, которое может привести к осложнениям развития, а также к предрасположенности к раку. Каррас и его коллеги обнаружили, что HSP90 буферизует некоторые варианты одного из таких генов, называемого FANCA (роль HSP70 более сложна). Они также протестировали эффекты компрометации HSP90 в клетках. При воздействии температуры 39-40°C (в диапазоне, который может испытывать человек с лихорадкой) клетки становились более уязвимыми к повреждению ДНК, вызванному химическими соединениями. Исследователи определили, что резервуар HSP90 истощен из-за требований, предъявляемых тепловым стрессом, так что он больше не может маскировать мутации FANCA. По словам Карраса, одним из выводов этой работы является то, что эффекты определенных вариантов генов, связанных с заболеванием, могут зависеть от факторов внешней среды, таких как температура, которые могут изменять степень буферизации. Исследователям еще предстоит изучить эту возможность.
Если экологический стресс действительно может влиять на риск развития заболеваний, обусловленных генетическими вариантами, это усложнит попытки оценить такой риск исключительно на основе генетического анализа. Более того, клинические последствия мутации также затрудняются сложными взаимодействиями с другими генами, что еще больше осложняет определение степени влияния того или иного варианта на риск развития заболевания у конкретного человека — его «пенетрантности».
Хотя анемия Фанкони является редким заболеванием, те же соображения должны применяться и к более распространенным вариантам генетических заболеваний. Каррас изучает буферный эффект белка HSP90 на ген BRCA1. Подобно гену FANCA, BRCA1 участвует в поддержании генома, а HSP90 стабилизирует мутантные варианты и помогает им выполнять свои функции. Это снижает вероятность развития рака в раннем возрасте у людей, являющихся носителями этих вариантов. Возрастной риск развития рака, по-видимому, зависит от степени связывания белков BRCA1 с HSP70 и HSP906. Если нарушить функцию HSP90, то проблемы, связанные с этими вариантами, становятся очевидными — хотя степень, в которой это происходит при раковых заболеваниях, связанных с BRCA1, пока неизвестна, отмечает Каррас.
HSP90 не только помогает в фолдинге белков, но, по-видимому, также участвует в регуляции соответствующих генов. Химик Даниэль Ярош и его коллеги провели скрининг дрожжевых клеток на наличие участков генома, взаимодействующих с HSP90, и обнаружили более 5 000 таких участков. Удивительно, но примерно половина из них — это не последовательности, кодирующие белки, а некодирующие последовательности, участвующие в регуляции генов — в частности, в регуляции генов, кодирующих белки-клиенты HSP90. Как именно HSP90 буферизует эти некодирующие области, пока не ясно. Но поскольку такие последовательности редко встречаются в базах данных вариантов генов, связанных с заболеваниями, говорит Ферстрепен, «мы, возможно, упускаем из виду некоторые ключевые буферизованные мутации, имеющие значение для лечения заболеваний».
Буферизация — это палка о двух концах. С одной стороны, HSP90 может защитить нас от некоторых самых тяжелых последствий мутаций, которые есть у всех нас. С другой стороны, этим же преимуществом могут воспользоваться раковые клетки. Это позволяет им маскировать высокую частоту мутаций и способствовать генетическому разнообразию в опухолях, что может облегчить им развитие резистентности к химиотерапии. Но поскольку раковые клетки зависят от HSP90 именно таким образом, это делает его потенциальной мишенью для терапии.
Каррас и его коллеги исследовали опухолевые клетки с мутацией BRCA1, которые были устойчивы к целевой терапии, и подвергли их воздействию химического вещества, ингибирующего HSP90. Клетки больше не могли компенсировать мутацию, придававшую им устойчивость, и стали восприимчивыми к препарату. Таким образом, компенсация мутаций «имеет реальные последствия для заболевания», — заключает Каррас. Тот же прием могут использовать и потенциально опасные микроорганизмы. Ферстрепен и его коллеги показали, что ген под названием GIM3 — один из «буферных» генов, выявленных ими в ходе исследования дрожжей, — по-видимому, используется патогенными дрожжами, поражающими человека, для поддержания роста и развития устойчивости к противогрибковым препаратам. А в 2021 году другая группа учёных показала, что буферный белок в Mycobacterium tuberculosis, называемый DnaK (бактериальный аналог HSP70), помогает микроорганизму, вызывающему туберкулёз, развивать устойчивость к антимикробным препаратам.
Поскольку DnaK способствует появлению и выживанию лекарственно-устойчивых мутантов, ингибирование DnaK может ослабить устойчивые штаммы или даже предотвратить их появление изначально. «Это настолько важный белок, говорит исследователь инфекционных заболеваний Майкл Гликман, что его инактивация в любом случае должна подавлять M. tuberculosis, но подавление буферной функции «стало бы дополнительным преимуществом». Гликман в настоящее время изучает, может ли препарат под названием телапревир ингибировать DnaK, чтобы усилить действие антибиотиков и блокировать резистентность.
Хотя генетическая вариабельность, буферизуемая HSP90, широко распространена во многих организмах, Каррас отмечает, что оставалось недоказанным, «влияла ли такая буферизация когда-либо на естественную эволюцию жизни». Однако в 2024 году он и его коллеги сообщили о таком случае в контексте эволюции в условиях одомашнивания: у дрожжей, используемых для варки пива. Пивные дрожжи несут дупликаты генов, участвующих в переваривании сахара мальтозы. Каррас и его коллеги полагают, что HSP90 сыграл ключевую роль в стимулировании этих дупликаций. Обычно HSP90 помогает сворачивать белок, который, в свою очередь, контролирует экспрессию ферментов, расщепляющих мальтозу. Однако в процессе пивоварения образуется этанол, который ингибирует HSP90 — и это оказывает влияние на ферменты. Каррас и его коллеги пришли к выводу, что дупликации генов возникли в процессе эволюции для обеспечения продолжения метаболизма даже при нарушении функции HSP90. Если экспрессируется достаточное количество ферментов, то не имеет значения, что они не выполняют свои индивидуальные функции так же эффективно, как при наличии HSP90.
В другом примере в прошлом году биолог Йоахим Куртц и его коллеги показали, что скрытая вариабельность может быть полезным эволюционным ресурсом. Они нарушили функцию белка HSP90 у жука Tribolium castaneum и обнаружили, что у некоторых особей развились маленькие глаза. Эти мутанты на самом деле обладали более высокой приспособленностью и репродуктивным успехом, чем их сородичи с нормальными глазами. Это и другие исследования, проведенные за последние несколько лет, выявили несколько способов, которыми буферизация может влиять на биологию. «Я считаю, что буферизация оказывает глубокое и положительное влияние на адаптивную эволюцию», — говорит эволюционный биолог Андреас Вагнер. Помимо способности увеличивать генетическую вариацию, исследования Вагнера на бактериях показали, что буферизация иногда может и уменьшать её, удаляя из популяции вредные мутации.
Тот факт, что HSP90 чувствителен к стрессу, может сделать этот белок «стражем» эволюционных изменений, считает Каррас. Это пока остается спорным вопросом, и «впереди у нас еще много работы», — говорит он, — «но я очень воодушевлен тем, какие новые горизонты откроет эта область».
