1.2.4. Эволюция ферментов глиоксилатного цикла

Ген ИЦЛ обладает большой эволюционной изменчивостью [Ying L.U. Anaerobic Induction of Isocitrate Lyase and Malate Synthase in Submerged Rice Seedlings Indicates the Important Metabolic Role of the Glyoxylate Cycle / L.U. Ying, W.U. Yong-Rui, H. Bin // Acta Biochimica et Biophysica Sinicf. – 2005. – Vol. 37, № 6. – P. 406-414.]. Ранее отмечалось, что в процессе эволюции Caenorhabditis elegans произошло слияние двух белковых комплексов (изоцитратлиазы и малатсинтазы) с образованием фермента с двумя функциональными областями [Liu F. Bifunctional glyoxylate cycle protein of Caenorhabditis elegans: a developmentally regulated protein of intestine and muscle / F. Liu, J. D. Thatcher, J. M. Barral // Dev. Biol. – 1995. – Vol. 169. – P. 399-414.]. Используя эукариотическую последовательность ИЦЛ, не были обнаружены никакие архебактериальные последовательности. Условно ИЦЛ из разных объектов можно разделить на две группы: 1) те, которые содержат эукариотические последовательности от Caenorhabditis и CHlamydomonas, высокогомологичные в β-протеобактериальных геномах; 2) те, которые кодируют в микротельцах ферменты растений и грибов [Schnarrenberger C. Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyxylate cycle of higher plants. A case study of andosymbiotic gene transfer / C. Schnarrenberger // Eur. J. Biochem. FEBS – 2002 – Vol. 269. – P. 868–883.].

Рассмотрение вопроса эволюции маркерных ферментов глиоксилатного цикла свидетельствует об обширной горизонтальной передаче бактериальных генов ИЦЛ и МС к эукариотическим организмам [Schnarrenberger C. Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyxylate cycle of higher plants. A case study of andosymbiotic gene transfer / C. Schnarrenberger // Eur. J. Biochem. FEBS – 2002 – Vol. 269. – P. 868–883.]. Два гена были сплавлены с образованием бифункционального гена в нематодах и Euglena. Однако, в нематодах изоцитратлиазная область предшествует малатсинтазной, в то время как эвглена имеет обратный порядок доменов [Molecular characterization of a bifunctional glyoxylate cycle enzyme, malate synthase/isocitrate lyase, in Euglena gracilis / M. Nakazawa [et. al.] // Comp Biochem Physiol Biochem Mol Biol. – 2005. – Vol. 141, № 4. – P. 445-452.]. Так как ИЦЛ и МС закодированы в одном и том же опероне у различных бактерий и порядок расположения исследуемых генов также различен, то было предположено, что нематоды и Euglena приобрели данные гены через горизонтальную передачу от бактерий так называемого ace оперона. Данная гипотеза предполагает, что филогенетические деревья, построенные с использованием доменов бифункциональных генов эукариот должны группироваться с соответствующими гомологами из бактерий, имеющими такой же порядок, как в ace опероне. Однако данные исследования не были проведены. В то же время ИЦЛ домен бифункциональных ферментов нематод показал очень высокую (>70%) гомологию с ИЦЛ протеобактерий, в частности с ИЦЛ из рода Brucella и группировался с соответствующими белками из бактерий при построении филогенетических деревьев [Schnarrenberger C. Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyxylate cycle of higher plants. A case study of andosymbiotic gene transfer / C. Schnarrenberger // Eur. J. Biochem. FEBS – 2002 – Vol. 269. – P. 868–883.].

В дополнение к достаточно очевидному переносу бифункционального гена ИЦЛ-МС посредством горизонтальной передачи к нематодам, построенное филогенетическое дерево может свидетельствовать о трех других независимых случаях передачи генов от бактерий к эукариотическим организмам – Nematostella, Dictyostelium и Chlamydomonadaceae. Оставшиеся эукариотические ИЦЛ, т.е. из растений, грибов и Tetrahymena формируют четко обозначенные группы с одной из двух копий гена ИЦЛ из Mycobacteria и Anaeromyxobacter dehalogenans [Schnarrenberger C. Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyxylate cycle of higher plants. A case study of andosymbiotic gene transfer / C. Schnarrenberger // Eur. J. Biochem. FEBS – 2002 – Vol. 269. – P. 868–883.].

Таким образом, рассмотрев наиболее вероятные сценарии эволюции ИЦЛ, авторы выделили следующие этапы:

1. раннее приобретение гена ИЦЛ редками эукариот от бактерий наиболее вероятно от митохондриальных эндосимбионтов;

2. эволюция вставки, возможно, с внутренней дупликацией с последующей радиальной дивергенцией;

3. обратный горизонтальный перенос ИЦЛ гена от ранних эукариот к бактериям (возможно, предку Micobacterium);

4. потеря гена ИЦЛ в начале эволюции животных;

5. по крайней мере, пять независимых горизонтальных переносов генов от бактерий к эукариотам, приводящие к смешению наследственной формы ИЦЛ с различными бактериальными формами у Dictyostelium, Euglena, кишечнополостных и нематод.

В случае нематод и Euglena, а также, вероятно, кишечнополостных, горизонтальная передача генов сопровождалась слиянием ИЦЛ и МС генов, находящихся, как правило, в ace опероне бактерий. Возможно, слияние генов произошло до их горизонтальной передачи в геноме бактерий. Альтернативный сценарий происхождения ИЦЛ эукариотического типа у бактерий, вероятно, объясняется также горизонтальной передачей гена, но ранним прокариотам. Это хорошо согласуется с наличием у многих бактерий двух генов: ИЦЛ эукариотического типа и типично бактериальной ИЦЛ [Evolution of glyoxylate cycle enzymes in Metazoa: evidence of multiple horizontal transfer events and pseudogene formation / F.A. Kondrashov [et. al.] // Biol Direct. – 2006. – Vol. 1, № 31. – P. 658-667.], [Schnarrenberger C. Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyxylate cycle of higher plants. A case study of andosymbiotic gene transfer / C. Schnarrenberger // Eur. J. Biochem. FEBS – 2002 – Vol. 269. – P. 868–883.].