Возникновение генов с нуля оказалось обычным явлением
Откуда в геноме живого существа берутся гены, которых нет ни у каких других видов? Новое исследование показывает, что они чаще всего возникают практически "из ничего", точнее из мусорной ДНК.
Все живые организмы в тесном родстве друг с другом. 30% человеческих генов - общие с кишечной палочкой, а 50% - с бананом. К слову, это одно из многочисленных доказательств того факта, что всё живое произошло от общего предка.
Однако у каждого вида есть небольшой процент генов, уникальных только для него или его ближайших родственников. В геномах других организмов нет не только точных копий таких участков ДНК, но и их очевидных аналогов. Специалисты называют их генами-сиротами.
Откуда берутся такие новые в эволюционной истории гены? Есть как минимум два возможных пути. Во-первых, постепенное накопление различий между родственными генами (дивергенция) может зайти так далеко, что биологи просто не опознают "двоюродных братьев". Считается, что именно этот сценарий - самый распространённый для возникновения генов-сирот.
Есть и другой путь. Напомним, что ген - это инструкция по синтезу РНК. РНК может служить прообразом для синтеза белка (основной "рабочей лошадки" в клетке) или выполнять другие функции.
Но в каждом геноме есть масса мусорной, или некодирующей, ДНК. Это "бывшие гены", которые некогда напрочь вышли из строя. Содержащиеся в них инструкции по синтезу РНК утратили работоспособность из-за ошибок, внесённых мутациями.
Тем не менее мусорная ДНК продолжает мутировать. Более того, эти мутации не "вымываются" естественным отбором, так как некодирующая ДНК не влияет на жизнь клетки и организма в целом (впрочем, последний тезис в последнее время подвергается критике). И рано или поздно в результате таких случайных изменений из этого "мусора" может возникнуть новый работоспособный ген. В этом случае специалисты говорят, что ген возник de novo.
Считается, что это экзотический сценарий, который редко реализуется. Но новое исследование, опубликованное в журнале eLife, свидетельствует о другом.
Мусорная ДНК оказалась важным источником эволюционных изменений.
Иллюстрация CC0 Public Domain.
Авторы разработали новую методику, позволяющую определить, имеет ли ген-сирота работоспособные аналоги в геномах других видов, даже если "кузены" совершенно не похожи друг на друга. Опираясь на этот метод, учёные искали "потерянных родственников" для генов дрожжей, мух и человека.
Результаты получились обескураживающими.
"К нашему удивлению, самое большее около трети генов-сирот являются результатом дивергенции. Это, в свою очередь, говорит о том, что большинство уникальных генов в тех видах, которые мы исследовали, являются результатом других процессов, в том числе появления de novo. Следовательно, это происходит гораздо чаще, чем первоначально думали учёные", - констатирует соавтор статьи Ифе МакЛайсет (Aoife McLysaght) из Тринити-колледжа в Дублине.
Биологи не остановились на этом и задали следующий вопрос: велико ли влияние новых генов на жизнь организма?
В качестве подопытных организмов учёные выбрали дрожжи. Они имеют короткие геномы, быстро размножаются и в то же время относятся к эукариотам, в отличие от, скажем, бактерий.
Сначала исследователи выводили из строя гены-сироты, некогда возникшие у дрожжей de novo. Обычно это не снижало жизнеспособности этих организмов ни "в пробирке", ни в естественных популяциях. Другими словами, большинство появившихся de novo генов не являются жизненно необходимыми (во всяком случае, у дрожжей). И этому есть объяснение: в конце концов, существовал же непосредственный предок дрожжей и без них.
На втором этапе биологи пошли другим путём. Они, наоборот, искусственно усилили работу (экспрессию) "новичков". И дрожжи тут же активизировали рост. При этом специалисты проверили, что эта реакция не вызвана экспрессией ещё каких-то генов, не являющихся de novo.
Другими словами, гены, возникшие "из мусора", могут быть очень полезны и давать своим носителям важные эволюционные преимущества.
Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о вирусе, геном которого почти полностью состоит из генов-сирот.