Domeny białkowe są zwartymi ewolucyjnymi jednostkami struktury i funkcji, które zwykle łączą się w białkach, tworząc złożone układy domen. W celu zbadać ich ewolucję, zrekonstruowaliśmy oparte na genomie drzewa filogenetyczne architektur architektury na podstawie spisu struktury i organizacji domen przeprowadzonego na poziomie na poziomie fałdu białkowego i nadrodziny fałdów w setkach w pełni zsekwencjonowanych genomów. Drzewa te określiły ramy czasowe odkryć architektonicznych i ujawniły niezwykłe wzorce ewolucyjne, w tym wybuchowe pojawienie się kombinacji domen podczas powstawania linii organizmów, dominację procesów łączenia domen przez całą ewolucję oraz późne pojawienie się nowej klasy wielofunkcyjnych modułów modułów w Eukarya poprzez rozszczepienie kombinacji domen. Nasze badanie dostarcza szczegółowy opis historii i dywersyfikacji molekularnego interaktomu i pokazuje, w jaki sposób wzajemne oddziaływanie fuzji i rozszczepień domen definiuje ewolucyjną mechanikę organizacji domen. ewolucyjną mechanikę organizacji domen, która jest zasadniczo odpowiedzialna za złożoność świata białek. za złożoność świata białek. --- Przegrupowania modułowe odgrywają ważną rolę w ewolucji białek. Funkcjonalne funkcjonalne moduły, często równoznaczne z domenami strukturalnymi lub mniejszymi fragmentami, są w w wielu przypadkach dobrze zachowane, ale powtarzają się w innej kolejności i w wielu rodzinach białek. rodzinach białek. Podstawowymi mechanizmami genetycznymi są duplikacja genów, fuzja i utrata fragmentów sekwencji. W konsekwencji sekwencyjna kolejność domen może zostać odwrócona, co prowadzi do tak zwanych białek permutowanych kołowo. białka. Korzystając z niedawno opracowanego algorytmu, zidentyfikowaliśmy dużą liczbę takich rearanżacji i analiz zidentyfikowaliśmy dużą liczbę takich rearanżacji i przeanalizowaliśmy ich historię ewolucyjną. Szukaliśmy szukaliśmy przykładów, które powstały w wyniku jednego z trzech postulowanych mechanizmów postulowanych mechanizmów: niezależnej fuzji/rozszczepienia, "duplikacji/usunięcia" i "wycinanie i wklejanie" za pośrednictwem plazmidów. Doszliśmy do wniosku, że można zaobserwować wszystkie trzy mechanizmy zaobserwować, przy czym niezależna fuzja/rozszczepienie jest najczęstsza. Można to można częściowo przypisać wysoce mobilnym domenom. Powielanie/usuwanie zostało w białkach modułowych, takich jak syntazy peptydowe. --- Większość białek składa się z jednej lub kilku domen. Nowe architektury domen mogą być poprzez łączenie wcześniej istniejących domen. Podstawowe zdarzenia, które które tworzą nowe architektury domen, można podzielić na trzy klasy, a mianowicie wstawienie lub usunięcie domeny (indel), wymiana i powtórzenie. Korzystanie z "DomainTeam", narzędzia przeznaczonego do wyszukiwania mikrosyntenii domen, my określiliśmy ilościowo względny udział tych zdarzeń. Narzędzie to pozwoliło nam zebrać homologiczne geny bakteryjne kodujące białka, które w oczywisty sposób ewoluowały przez modularny montaż domen. Pokazujemy, że indele są najczęstszymi zdarzenia elementarne i że występują one w większości przypadków na N- lub C-końcu białka. Jak wynika z sąsiedztwa/kontekstu genomowego odpowiednich genów, pokazujemy, że znaczna liczba tych terminalnych końcowych jest konsekwencją fuzji/złamań genów. Dostarczamy dowodów pokazujących że udział fuzji/rozszczepienia genów w ewolucji wielodomenowych białek bakteryjnych białek bakteryjnych jest ograniczony od dołu o 27%, a od góry o 64%. Wnioskujemy że fuzja/rozszczepienie genów jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do ewolucji wielodomenowych białek bakteryjnych. białek bakteryjnych. --- Systemy dwuskładnikowe (TCS) są powszechnymi systemami transdukcji sygnału, zazwyczaj zawierające sparowaną histydynową kinazę białkową (HK) i regulator odpowiedzi (RR) białka. W wielu przykładach wydaje się, że geny RR i HK uległy fuzji, tworząc "hybrydową kinazę". "kinazę hybrydową" Scharakteryzowaliśmy zestaw genów prokariotycznych kodujących RR, HK i kinazy hybrydowe, umożliwiając scharakteryzowanie fuzji i rozszczepienia genów. Głównymi czynnikami korelującymi z szybkością fuzji są obecność helis transmembranowych heliksów w HK i obecność domen wiążących DNA w RR, cechy, które wymagają prawidłowej (i oddzielnej) lokalizacji przestrzennej. W przypadku braku takich cech, istnieje względna obfitość połączonych genów. Kolejność sparowanych genów HK i RR oraz odległość nukleotydowa między kodowanymi domenami również korelują z pozorną szybkością fuzji genów. z pozornymi wskaźnikami fuzji genów. Proponujemy, aby wymagania lokalizacyjne i i względne położenie kodowanych domen w genach TCS wpływają na funkcję (a tym samym retencję) kinaz hybrydowych powstałych w wyniku fuzji genów. --- Chociaż możliwość ewolucji genów poprzez rearanżacje domen jest od dawna zostały docenione, obecne metody rekonstrukcji i systematycznego analizy ewolucji rodziny genów są ograniczone do zdarzeń takich jak duplikacja, utrata, a czasami transfer horyzontalny. Jednakże, w obrębie kladu Drosophila, my rearanżacje domen występują w 35,9% rodzin genów, a zatem wszelkie kompleksowe badanie ewolucji genów u tych gatunków będzie musiało uwzględniać takie zdarzenia. Tutaj przedstawiamy nowy model obliczeniowy i algorytm do rekonstrukcji ewolucji genów na poziomie domeny. Opracowaliśmy metodę wykrywania homologicznych domen między genami i przedstawiamy algorytm filogenetyczny do rekonstrukcji maksymalnie parsymonicznych historii ewolucyjnych, które obejmują domenę domeny, duplikację, utratę, fuzję i rozszczepienie. Używając tej metody stwierdzamy, że geny zaangażowane w fuzję i rozszczepienie są wzbogacone w sygnalizacji i rozwoju, co sugeruje, że rearanżacje domen i ponowne użycie mogą być mogą być kluczowe w tych procesach. Stwierdziliśmy również, że fuzja jest bardziej obfita niż rozszczepienie i że zdarzenia fuzji i rozszczepienia występują głównie obok duplikacji, przy czym 92,5% i 34,3% zdarzeń fuzji i rozszczepienia zachowuje w zduplikowanych kopiach. Przedstawiamy katalog ∼9,000 genów genów, które ulegają rearanżacji domen u dziewięciu sekwencjonowanych gatunków, wraz z możliwymi mechanizmami ich powstawania. wraz z możliwymi mechanizmami ich powstawania. Wyniki te znacznie rozszerzają ewolucji na poziomie subgenów i oferują wgląd w to, w jaki sposób nowe geny i funkcje powstają między gatunkami. --- Modułowość jest cechą charakterystyczną ewolucji molekularnej. Niezależnie od tego, czy rozważamy regulację genów regulację genów, składniki szlaków metabolicznych lub kaskady sygnalizacyjne, zdolność do zdolność do ponownego wykorzystania autonomicznych modułów w różnych kontekstach molekularnych może przyspieszyć ewolucyjne innowacje. Podobnie, domeny białkowe są modułami białek, a modularne rearanżacje domen mogą tworzyć różnorodność przy pozornie niewielu operacjach. operacji, co z kolei pozwala na szybkie zmiany w funkcjonalnym repertuarze organizmu. repertuar funkcjonalny organizmu. Tutaj oceniamy wzorce i efekty funkcjonalne modularnych rearanżacji w wysokiej rozdzielczości. rearanżacji w wysokiej rozdzielczości. Korzystając z dobrze rozdzielonej i zróżnicowanej grupy pancrustaceans, ilustrujemy różnorodność aranżacji w obrębie blisko spokrewnionych organizmów, szacujemy częstotliwość rotacji aranżacji i ustalamy, po raz pierwszy po raz pierwszy, specyficzne dla gałęzi szacunki szybkości fuzji, rozszczepienia, dodawania domen i utraty domeny. Nasze wyniki pokazują, że około 16 nowych układów powstaje na milionów lat i że od 64% do 81% z nich można wyjaśnić prostą, jednoetapową rearanżacją modularną, prostymi, jednoetapowymi rearanżacjami modularnymi. Znajdujemy dowody na to, że częstotliwości rozszczepień i końcowych delecji wzrasta z upływem czasu, a modularne rearanżacje wpływają na wszystkie poziomy komórkowego aparatu sygnalizacyjnego, a zatem mogą mieć silny potencjał adaptacyjny. Nowe aranżacje, których nie można wyjaśnić przez proste rearanżacje modularne zawierają znaczną ilość powtarzających się domen które występują w złożonych wzorach, które określamy jako "super-powtórzenia". Co więcej, te są znacznie dłuższe niż te z jednoetapowym rozwiązaniem rearanżacji, co sugeruje, że takie układy mogą wynikać z wieloetapowych zdarzeń. Podsumowując, nasza analiza zapewnia zintegrowany widok i i wstępną kwantyfikację wzorców i funkcjonalnego wpływu modularnej ewolucji białek w dobrze rozwiązanym drzewie filogenetycznym. Ten artykuł jest częścią Wydanie specjalne zatytułowane: Wyłaniające się dynamiczne spojrzenie na białka: Białko plastyczność białek w allosterii, ewolucji i samoorganizacji. --- Podczas ewolucji geny mogą wytwarzać bardziej złożone białka poprzez fuzję genów lub mniej złożone białka przez rozszczepienie genów. Biorąc pod uwagę białka ze 131 całkowicie sekwencjonowanych genomów ze wszystkich trzech królestw życia, zidentyfikowaliśmy 2869 grup białek białek wielodomenowych jako pojedyncze białko w niektórych organizmach i jako dwa lub więcej mniejszych białek o równoważnej architekturze domenowej. lub więcej mniejszych białek o równoważnej architekturze domen w innych organizmach. Stwierdziliśmy, że zdarzenia fuzji są około cztery razy częstsze niż zdarzenia rozszczepienia. rozszczepienia i ustaliliśmy, że w większości przypadków każde konkretne zdarzenie fuzji lub rozszczepienia rozszczepienie wystąpiło tylko raz w trakcie ewolucji.
Czy istnieje różnica w szybkości fuzji i rozszczepienia genów?
Tak. W kilku badaniach oszacowano, że fuzja i rozszczepienie genów są stosunkowo rzadkimi zdarzeniami, a wskaźnik fuzji/rozszczepienia genów wynosi w przybliżeniu od 2 do 6. Sprzeczny przypadek został odkryty w analizie genomów roślin, gdzie w Oryza sativa zaobserwowano odwrotny trend.