Решение «тайны тайн» Дарвина найдено в «тёмной материи» генома
Биологические виды часто определяют на основе репродуктивной изоляции. С тех пор как Дарвин указал на трудность объяснить, почему скрещивания двух видов часто дают стерильное или нежизнеспособное потомство (например, мул от скрещивания лошади и осла), биологи боролись с этим вопросом.
Новое исследование в этой области, проведённое учёными из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона и опубликованное 22 октября в Science Express, предполагает, что решение этой проблемы кроется в «тёмной материи генома» — гетерохроматине, плотно упакованном, бедном генами компартменте ДНК, который обнаруживается в геномах всех ядерных клеток.
«Видообразование — одна из самых увлекательных нерешённых проблем в биологии», — сказал Хармит Малик, доктор философии, соавтор статьи.
Малик и первый автор Джошуа Байес, доктор философии, сосредоточились на понимании клеточной функции конкретного гена плодовой мушки (Drosophila), названного Одиссей. Этот ген получил своё название из-за способности вызывать хаос и мужскую стерильность при внедрении в геном другого вида. Одиссей — ген, произошедший от фактора транскрипции, и долгое время считалось, что это белок, который включает экспрессию других генов в семенниках дрозофилы.
Также ранее было показано, что ДНК-связывающий домен Одиссея быстро эволюционирует. Исходя из этого наблюдения, Байес и Малик предположили, что Одиссей должен взаимодействовать с какой-то быстро эволюционирующей ДНК в геноме. Они проверили гипотезу, впервые предложенную Маликом и его коллегой Стивеном Хеникофф, что такие белки, вызывающие гибридную стерильность, могут связываться с повторяющейся сателлитной ДНК в гетерохроматине. Считается, что такие повторы быстро эволюционируют из-за «гонки вооружений» за преимущественную передачу в процессе образования яйцеклетки, когда только одна из четырёх хромосом неслучайно выбирается для включения в яйцо.
В соответствии с этой гипотезой, Байес обнаружил, что белки Одиссея локализуются в гетерохроматиновой ДНК рядом с центромерами и на бедных генами хромосомах, что приводит к их деконденсации. Примечательно, что Одиссей, ассоциированный с гибридной стерильностью у одного вида, показал дополнительную локализацию на Y-хромосоме другого вида. В экспериментах на клеточных линиях и трансгенных мушках Байес далее показал, что локализация Одиссея быстро эволюционировала в ходе недавней эволюции, что является свидетельством «гонки вооружений», движущей быструю эволюцию повторов сателлитной ДНК. Изменённая экспрессия и локализация имеют глубоко пагубные последствия для процесса образования сперматозоидов, который остаётся загадкой и активно изучается в лаборатории Малика.
Это открытие, что быстро эволюционирующий гетерохроматин может лежать в основе этого явления, также перекликается с другой работой в лаборатории Малика, которая исследует, как «несоответствия», возникающие из-за быстрой эволюции ДНК и белков, могут приводить к дефектам расхождения хромосом и событиям анеуплоидии, которые иногда являются предшественниками в переходах к раку.
Источник: Fred Hutchinson Cancer Research Center