Эволюция без мутаций обнаружена у одноклеточных архей

Исследователи из Университета Небраски-Линкольна обнаружили революционные доказательства того, что эволюционный феномен, работающий у сложных организмов, присутствует и у их одноклеточных собратьев.

Виды чаще всего эволюционируют через мутации ДНК, наследуемые последующими поколениями. Несколько десятилетий назад исследователи начали обнаруживать, что многоклеточные виды также могут эволюционировать через эпигенетику: наследование клеточных белков, контролирующих доступ к ДНК организма, а не генетических изменений.

Поскольку эти белки могут реагировать на изменения в окружающей среде организма, эпигенетика находится на тонкой грани между природой и воспитанием. Её доказательства ранее были обнаружены только у эукариот — многоклеточной области жизни, включающей животных, растения и другие царства.

Однако серия экспериментов команды из Небраски (Софи Пейн, Пол Блум и коллеги) показала, что эпигенетика может передавать экстремальную устойчивость к кислоте у вида архей Sulfolobus solfataricus — микроскопических одноклеточных организмов, сочетающих черты эукариот и бактерий.

«Сюрприз в том, что это есть у этих относительно примитивных организмов, которые, как мы знаем, являются древними. Мы думали об этом как о чём-то (эволюционно) новом. Но эпигенетика — не новичок на планете», — сказал Пол Блум.

Команда подвергла вид воздействию возрастающих уровней кислотности в течение нескольких лет и вывела три штамма, устойчивость которых была в 178 раз выше, чем у их предков из Йеллоустонского национального парка.

• Один из этих штаммов развил устойчивость без мутаций в своей ДНК.
• Два других претерпели мутации во взаимоисключающих генах, которые не влияют на устойчивость к кислоте.
• Когда команда нарушила работу белков, предположительно контролирующих экспрессию соответствующих генов устойчивости (не затрагивая саму ДНК), эта устойчивость резко исчезла у последующих поколений.

«Мы предполагали, что будут мутации, мы последуем за ними, и это покажет нам причину экстремальной устойчивости. Но мы обнаружили не это», — сказал Блум.

Простота архей, сочетающаяся с тем, что их клетки в некоторых важных аспектах напоминают клетки эукариот, должна позволить исследователям изучать эпигенетические вопросы гораздо быстрее и дешевле, чем раньше.

«Мы не знаем, что "переключает" эпигенетические признаки у людей. И мы часто не знаем, как это обратить вспять. Это первое, за что мы возьмёмся: как включить, выключить, переключить. И это полезно, когда думаешь об управлении признаками у нас или у растений», — отметил Блум.

Открытие также ставит вопросы, особенно о том, как и эукариоты, и археи пришли к эпигенетике как методу наследования.

«Возможно, она была у обоих, потому что они произошли от общего предка, у которого она была. Или, может быть, она развивалась дважды. Это действительно интересная концепция с эволюционной точки зрения», — сказала Софи Пейн.

Команда также задаётся вопросом, может ли эпигенетика объяснить, почему ни один известный вид архей не вызывает болезней и не ведёт «антибиотическую войну» с сородичами, как это делают бактерии.

«В их мире нет антибиотиков. Почему? Мы думаем, что это как-то связано с эпигенетикой, и поэтому их взаимодействия между собой фундаментально отличаются от бактериальных», — предположил Блум.

Исследование поднимает ещё более широкий вопрос: «В чём была для них выгода иметь это? Мы не знаем».

Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.