Хрупкие участки ДНК — ключ к эволюции позвоночных
Исследование Стэнфордского университета показало, что участки ДНК, уязвимые для разрывов и потерь, являются генетическими "горячими точками" для важных эволюционных изменений. Эти находки могут привести к новому пониманию эволюции человека.
Регионы ДНК, подверженные делециям (потерям) во время репликации, могли позволить позвоночным успешно адаптироваться к быстро меняющимся условиям окружающей среды. Исследование предполагает, что некоторые критические эволюционные изменения, вероятно, происходили скачкообразно из-за резкой потери участков ДНК, а не за счёт медленного накопления множества мелких мутаций.
Учёные, изучавшие маленькую рыбку колюшку трёхиглую, обнаружили, что такие "хрупкие" участки ДНК создают генетические горячие точки, которые мутируют гораздо быстрее и драматичнее, чем соседние последовательности. Результирующие изменения могут помочь организму совершить эволюционный скачок.
Хотя подобные явления были описаны у бактерий, это одно из первых исследований, показывающих, что тот же процесс происходил у позвоночных, приводя к драматическим изменениям в строении тела.
Крупные изменения — крупные эффекты
Многие мутации затрагивают всего один нуклеотид (букву) ДНК. Сами по себе такие точковые мутации редко дают эволюционное преимущество. Значительные изменения часто требуют постепенного накопления нескольких таких мутаций. В отличие от этого, внезапные, крупные изменения в геноме могут иметь большие последствия — например, менять строение тела через модификации скелета. Часто эти изменения вредны, но иногда они оказываются преимущественными.
Когда закончился последний ледниковый период (около 10 000 лет назад), популяции морской колюшки заселили вновь образовавшиеся озёра и эволюционировали независимо. В результате многие из этих популяций демонстрируют значительные различия в строении тела. Например, у морских колюшек есть задний плавник с крупным шипом, а у десятков пресноводных популяций этот плавник утрачен. Его отсутствие, вероятно, снижает потребность в кальции и шансы быть съеденными хищными насекомыми.
Предыдущие исследования лаборатории Кингсли показали, что причиной утраты заднего плавника во многих популяциях пресноводных рыб является потеря специфического регуляторного региона ДНК, называемого энхансером Pel. Этот энхансер запускает экспрессию белка, необходимого для развития заднего плавника.
В данном исследовании было обнаружено, что последовательность ДНК региона Pel необычна. В отличие от окружающих стабильных регионов, утраченный энхансер Pel формировал альтернативную структуру ДНК, предсказанную как высоко гибкую и, вероятно, нестабильную во время репликации. Последовательность также содержит длинные строки повторяющихся пар нуклеотидов (динуклеотидные повторы), что в предыдущих исследованиях на бактериях, мышах и людях ассоциировалось с делециями участков ДНК.
Повышенная частота разрывов хромосом
При тестировании стабильности региона Pel в искусственных дрожжевых хромосомах выяснилось, что хромосома разрывалась примерно в 25–50 раз чаще, чем с типичными последовательностями ДНК. Тесты аналогичных последовательностей в клетках млекопитающих показали, что ключевая последовательность динуклеотидных повторов часто приводила к делециям участков длиной более 100 нуклеотидов.
Повышенная частота разрывов хромосом, наряду с вероятностью того, что это повреждение вызывает делеции целых участков ДНК, могла быть ключевым фактором, позволившим признаку (отсутствию заднего плавника) возникать снова и снова во многих молодых популяциях колюшки. Учёные полагают, что повышенные темпы мутаций могут играть аналогичную роль при возникновении полезных признаков у других организмов.
"Многие позвоночные, включая ранних людей, имеют небольшую численность популяции и относительно длительное время генерации, — отмечает профессор Дэвид Кингсли. — Не так уж много поколений доступно для эволюции новых, потенциально полезных признаков. В таких условиях особенно важно, чтобы мутации возникали с повышенной частотой и имели масштабные эффекты".
Исследование известных случаев адаптивных изменений у человека показало, что около половины из них обусловлены мутациями, которые также возникают с повышенной частотой по сравнению с более типичными изменениями "букв" ДНК.
"Мы узнаём, что 'появление наиболее приспособленных', или относительная скорость, с которой возникает потенциально полезная мутация, иногда может быть так же важна, как и 'выживание наиболее приспособленных'. Сам процесс мутации оказывает важное влияние на результат", — заключает Кингсли.