Так называемая "мусорная" ДНК играет ключевую роль в видообразовании
Более 10% нашего генома состоит из повторяющихся, на первый взгляд бессмысленных участков генетического материала, называемых сателлитной ДНК, которые не кодируют белки. Раньше некоторые учёные называли эту ДНК "геномным мусором".
Однако в серии статей за несколько лет Юкико Ямасита (Институт Уайтхеда) и коллеги доказали, что сателлитная ДНК — не мусор, а выполняет в клетке важную функцию: она взаимодействует с клеточными белками, чтобы удерживать все отдельные хромосомы клетки вместе в одном ядре.
В своей последней работе, опубликованной 24 июля в журнале Molecular Biology and Evolution, Ямасита и бывший постдок Мадхав Джаганнатан (ныне доцент ETH Zurich, Швейцария) пошли дальше. Они предполагают, что система организации хромосом, обеспечиваемая сателлитной ДНК, является одной из причин, по которой организмы разных видов не могут производить жизнеспособное потомство.
Происхождение видов: версия ДНК
Исследователи знали, что сателлитная ДНК сильно различается у разных видов. "Если вы посмотрите на геном шимпанзе и человека, белков-кодирующие области идентичны на 98–99%. Но часть "мусорной" ДНК очень и очень разная", — говорит Ямасита.
Изучая важность сателлитной ДНК для выживания чистых видов плодовой мушки Drosophila melanogaster, учёные получили первый намёк на её роль в видообразовании. Когда они удалили белок Prod, связывающийся с определённой последовательностью сателлитной ДНК у D. melanogaster, хромосомы мушек рассеялись за пределы ядра в микроглобулы (микроядра), и мушки погибли. Однако эта конкретная последовательность сателлитной ДНК полностью отсутствует у ближайшего родственника D. melanogaster — Drosophila simulans.
Это навело на мысль, что два вида мушек могли эволюционировать разные последовательности сателлитной ДНК для выполнения одной и той же функции. Поскольку сателлитная ДНК удерживает хромосомы вместе, различия в ней могут быть причиной репродуктивной несовместимости видов.
История двух видов плодовых мушек
Для проверки гипотезы учёные сосредоточились на двух видах: Drosophila melanogaster и Drosophila simulans, которые разошлись 2–3 миллиона лет назад. Скрещивание самки D. melanogaster с самцом D. simulans даёт "несчастное" потомство: оно либо стерильно, либо погибает.
Исследовав ткани гибридного потомства, учёные обнаружили, что их фенотип в точности повторяет картину при нарушении сателлитной ДНК у чистого вида: хромосомы были рассеяны и не заключены в единое ядро.
Кроме того, учёные смогли создать здоровую гибридную мушку, мутировав у родительских особей определённые гены, известные как "гены гибридной несовместимости". Эти гены, как было показано, локализуются в сателлитной ДНК клеток чистых видов. Эксперименты позволили впервые продемонстрировать, как эти гены влияют на упаковку хромосом у гибридов, и определить связанные с ними клеточные фенотипы.
Выводы и перспективы
Полученные данные свидетельствуют: поскольку сателлитная ДНК мутирует относительно часто, белки, связывающие её и удерживающие хромосомы вместе, должны эволюционировать, чтобы "успевать" за ней. Это приводит к тому, что каждый вид вырабатывает свою собственную "стратегию" работы с сателлитной ДНК. При скрещивании двух организмов с разными стратегиями происходит конфликт, приводящий к рассеиванию хромосом за пределы ядра.
В будущем исследователи надеются проверить свою модель, создав с помощью биоинженерии белок, способный связывать сателлитную ДНК двух разных видов и удерживать хромосомы вместе. Теоретически это может "спасти" обречённый гибрид, позволив ему выжить и дать жизнеспособное потомство.