Рождение гена из «мусорной» ДНК: как арктические рыбы создали свой антифриз
Новое исследование раскрывает молекулярный механизм, с помощью которого арктические тресковые рыбы независимо от антарктических собратьев эволюционировали ген для производства специального антифризного белка. Этот ген возник «с нуля» из некодирующей ДНК, ранее считавшейся «мусорной». Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Независимое решение одной проблемы
Арктические и антарктические рыбы, не являющиеся родственниками, независимо друг от друга выработали способность производить практически идентичный антифризный белок для выживания в ледяной воде. Если для антарктических рыб механизм был известен, то происхождение гена у арктических тресковых оставалось загадкой.
Поиск предка и неожиданное открытие
Исследователи во главе с профессором Кристиной Ченг и аспирантом Сюань Чжуан сравнили геномы тресковых, производящих и не производящих антифриз. Они не нашли предшественника среди существующих генов. Вместо этого предок антифризного гена был обнаружен в области некодирующей ДНК, которая изначально не кодировала никакого функционального белка.
Цепь маловероятных событий
Создание жизненно важного гена из случайной последовательности потребовало нескольких маловероятных шагов:
- Дупликация и повторы: Крошечный фрагмент некодирующей ДНК (всего 9 нуклеотидов) многократно дублировался. Получившаяся длинная повторяющаяся последовательность стала кодировать повторяющуюся цепочку из трёх аминокислот: треонин-аланин-аланин. Именно эти повторы химически связываются с кристаллами льда в крови, не давая им расти.
- Приобретение сигнала секреции: В процессе редактирования РНК в последовательности случайно появился сигнальный пептид — метка для вывода белка из клетки в кровоток.
- Сдвиг рамки считывания: Случайная делеция одного нуклеотида объединила сигнал секреции и повторы антифриза в рамках одного гена.
- Активация гена: Ген каким-то образом получил регуляторную последовательность, позволившую его транскрибировать в РНК. Это могло произойти либо путём вставки такой последовательности, либо путём транслокации (перемещения) самого гена в область генома, где такая регуляторная последовательность уже была.
Эволюция как «импровизация»
Исследование показывает, как клетка может создать новый функциональный ген практически из ничего. Клеточные механизмы постоянно транскрибируют различные участки ДНК в РНК, многие из которых не используются. Этот процесс может казаться расточительным, но клетка способна утилизировать ненужную РНК.
Если же случайно созданная РНК содержит все необходимые сигналы и кодирует белок, дающий организму преимущество (например, выживание в ледяной воде), то соответствующая ДНК-последовательность закрепляется в геноме. Особи с этой последовательностью выживают и передают новый признак потомству.
«Эволюция не так эффективна. Это своего рода импровизация», — заключает Кристина Ченг.