Эгоистичные элементы превращают эмбрионы в поле боя

Борьба за выживание ведется вплоть до уровня наших генов. Элементы "токсин-антидот" — это пары генов, которые распространяются в популяциях, убивая не-носителей. Исследование лаборатории Бурги в IMBA и лаборатории Кругляк в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе показывает, что эти элементы в природе встречаются чаще, чем считалось, и эволюционировали множество механизмов для принудительного наследования и распространения — это паразиты внутри генома. Результаты опубликованы в журнале Current Biology.

Арест развития

"До нашего исследования было известно лишь несколько пар "токсин-антидот", и они были случайно обнаружены в разных лабораториях. Мы задались вопросом: 'А что, если целенаправленно поискать эти эгоистичные элементы, будут ли они редкими или распространенными?'", — говорит руководитель группы IMBA Алехандро Бурга. В исследовании команды Бурги и Кругляк искали такие пары у нематоды Caenorhabditis tropicalis. Идентифицировано пять новых пар. Еще один эгоистичный элемент найден у C. briggsae. "Это говорит о том, что этот класс эгоистичных элементов не редок, а довольно распространен у нематод", — объясняет Бурга.

Удивительно, что некоторые из новых пар действуют не через нарушение эмбрионального развития (как у C. elegans), а убивают не-носителей на более поздней стадии. Один элемент, который генетически изучила команда Бурги, даже не убивает не-носителей, а лишь задерживает начало их размножения. Этого оказывается достаточно для распространения элемента в популяции.

Эгоизм может поддерживать разнообразие

Бурга и коллеги сделали еще одно поразительное наблюдение: разные пары "токсин-антидот" могут располагаться на гомологичных хромосомах. "Из-за такого спаривания мы видим не только конфликт между эгоистичным элементом и особью, но и между самими эгоистичными элементами, которые пытаются убить друг друга", — говорит Бурга. Это война между эгоистичными генами, в перекрестный огонь которой попадают особи.

"Мы предполагаем, что эгоистичные элементы могут играть прямую роль в видообразовании. В какой-то момент накопление множества элементов может просто перегрузить способность производить жизнеспособное потомство", — добавляет Эяль Бен-Давид, соавтор исследования. Как яркая иллюстрация, Бурга и коллеги обнаружили, что элементы "токсин-антидот" могут совместно вызывать дефекты у более чем 70% потомства от одного скрещивания двух штаммов. "Такая степень несовместимости, вероятно, непреодолима в дикой природе", — говорит Бен-Давид.

Уроки для синтетических ген-драйвов

Знания, полученные при изучении пар "токсин-антидот", могут быть использованы для улучшения систем ген-драйвов. Синтетические ген-драйвы создаются в лаборатории для борьбы с болезнями, переносимыми векторами, например, распространяя гены, влияющие на фертильность комаров. Однако ген-драйвы часто сталкиваются с мутациями, и для успеха нужны более устойчивые системы, говорит Бурга. "Изучая эгоистичные элементы, которые являются природными системами ген-драйва, мы надеемся в ближайшем будущем создать лучшие синтетические аналоги. Эти элементы эволюционировали тысячи лет у нематод и распространились по всему миру — природа действительно лучший учитель", — говорит Пинелопи Плиота, соавтор исследования.

Пары "токсин-антидот" впервые были обнаружены в 1980-х у бактерий, а аналогичные элементы появились у дрожжей, растений, насекомых и нематод. "Элементы "токсин-антидот" независимо эволюционировали по всему древу жизни. Либо мы, люди, — уникальный случай, где они не эволюционировали, либо мы их еще не нашли", — заключает Бурга.