В клетке каждого растения работает оркестр, где музыканты одни и те же, но партитуры у каждого вида свои. Главный инструмент этого оркестра — 26S протеасома, большая белковая машина, которая разрушает меченые белки. Она есть у всех эукариот, и её устройство поразительно консервативно: от дрожжей до человека детали почти не менялись. Но у растений число генов, кодирующих субъединицы протеасомы, сильно варьирует, и до сих пор было неясно, как эти дупликации влияют на регуляцию.
Авторы собрали геномы 18 видов Viridiplantae, от одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii до цветковых растений, и с помощью поиска по гомологии выявили все гены субъединиц 26S протеасомы. Для каждого семейства субъединиц построили выравнивания и филогенетические деревья, а затем согласовали их с деревом видов, чтобы восстановить историю дупликаций. Промоторы протеасомных генов просканировали на обогащение коротких ДНК-мотивов, сравнивая их частоту вблизи старта транскрипции с фоном по геному. Дополнительно использовали данные по посттрансляционным модификациям, предсказания внутренне неупорядоченных участков и расчёты электростатического потенциала.
У 16 из 18 видов нашлись дуплицированные гены протеасомы, причём паттерны дупликаций видоспецифичны и в основном возникли недавно. Древние полногеномные дупликации почти не повлияли на расширение семейства, а вот недавние, например у мхов или бобовых, оставили след. На уровне белков отбор был очищающим: лишь четыре случая из 886 показали признаки положительного отбора. Различия между паралогами сводились к тонкой подстройке электростатического потенциала поверхности и смене сайтов фосфорилирования. Гораздо сильнее разошлась регуляция: паралоги по-разному отвечали на стресс, причём эта тенденция прослеживается от мхов до цветковых.
Мутанты trb4 trb5 оказались гиперчувствительны к ингибитору протеасомы, и у них нарушалась индукция протеасомных генов. Наконец, анализ коэволюции выявил сеть из 386 белков, эволюционирующих согласованно с протеасомой и обогащённых теми же регуляторными мотивами. Это значит, что протеасома встроена в более широкую сеть, которая подстраивается под нужды каждого вида.
Работа впервые показывает, что у растений консервативная машина деградации белков эволюционирует не за счёт изменения самих белков, а через перестройку регуляторной логики. Это как если бы музыканты в оркестре оставались теми же, но дирижёр менял партитуры: в одном виде протеасома активнее в ответ на засуху, в другом — на холод. Открытие роли TRB-белков в регуляции протеасомы добавляет новый слой в понимание того, как клетка координирует протеостаз с другими процессами, включая клеточный цикл и фотосинтез. Пока это фундаментальное знание, но оно задаёт направление для селекции растений, устойчивых к стрессам, ведь протеостаз критичен для выживания в неблагоприятных условиях.
У арабидопсиса промоторы протеасомных генов содержат мотив, который также встречается в теломерах — концевых участках хромосом. Белки, которые обычно защищают концы хромосом, оказались способны включать гены протеасомы.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.