Простая бактерия показывает, как стресс управляет эволюцией

Исследование на обычной бактерии E. coli подтверждает, что эволюция — не полностью слепой процесс, зависящий от случайных изменений в генах. Факторы окружающей среды, такие как стресс, также могут играть роль.

Команда, финансируемая NASA, впервые разработала метод, демонстрирующий, как транспозоны — мобильные последовательности ДНК, меняющие положение в геноме — перемещаются с места на место.

Учёные обнаружили, что скорость «прыжков» этих «прыгающих генов» увеличивается или уменьшается в зависимости от факторов среды, например, доступности пищи.

«Это новое окно в то, как среда может влиять на скорость эволюции», — сказал Найджел Голденфельд, директор Института астробиологии NASA по универсальной биологии в Университете Иллинойса. — «Мы впервые можем измерить скорость эволюции и увидеть её действие на молекулярном уровне».

Физик Томас Кульман добавил, что на скорость прыжков влияет не только среда, но и вид бактерии: «Активность этих транспозонных элементов не является равномерно случайной».

Метод наблюдения

Исследователи создали новый подход для наблюдения за движением прыгающих генов, сконструировав E. coli, которая экспрессирует флуоресцентный белок, когда транспозон «выпрыгивает» из генома. Клетка загорается в этот момент, что позволило записать, какие клетки прыгают чаще других.

«Клетки светятся только тогда, когда транспозон прыгает, — пояснил Голденфельд. — Так мы можем видеть, как часто, когда и откуда они прыгают».

Команда также построила компьютерную симуляцию этой активности, которая позволила исключить случайность как основную причину прыжков. Сравнение симуляции с лабораторными испытаниями ясно показало, что транспозоны прыгают не случайно.

Значение для эволюционной теории

Фундаментальное предположение эволюции состоит в том, что мутации и другие нестабильности генома случайно возникают как «слепая» сила, и полезные из них ведут к репродуктивному успеху. Менее принятая биологами возможность — что среда побуждает клетку мутировать, чтобы лучше процветать (адаптивные или стресс-индуцированные мутации).

«Наша работа показывает, что среда действительно влияет на скорость активации транспозонов, которые затем встраиваются в геном и изменяют его, — сказал Голденфельд. — Таким образом, среда меняет скорость эволюции. Что наша работа пока не отвечает, так это вопрос, подавляет ли активность транспозонов гены, плохие в конкретных условиях среды. Она лишь говорит, что скорость эволюции возрастает в ответ на стресс».

Следующим шагом, по словам Кульмана, станет работа с более сложными организмами, например, дрожжами, а в перспективе — с клетками млекопитающих или человека.

Практическое применение

Исследование полезно не только для понимания происхождения жизни, но и для изучения ситуаций быстрых мутаций клеток, например, при раке, когда клетки аномально растут.

Результаты также важны для астробиологии.

«Одна из задач астробиологии — взаимодействие между средой и скоростью эволюции, — отметил Голденфельд. — Наша работа впервые показала, что существуют средовые влияния на скорость активности транспозонов, потому что мы могли буквально измерить этот эффект. Мы сделали это количественно и сравнили с теоретическими предсказаниями, предполагавшими случайность. Мы смогли показать, что активность вовсе не случайна».

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences под названием «Real-time transposable element activity in individual live cells». Работу возглавил аспирант-физик Нил Ким. Финансирование осуществлялось через Институт астробиологии NASA.