Эволюционным биологам необходимо адаптировать методы исследований
Чтобы по-настоящему понять механизмы естественного отбора, эволюционным биологам нужно сместить фокус с современных молекул на синтезированные, предковые, считает биолог Шозо Йокояма из Университета Эмори.
Проблема современного подхода
Долгие годы положительный дарвиновский отбор изучался почти исключительно с помощью сравнительного анализа последовательностей современных молекул. Этот подход подпитывается всё более быстрыми и дешёвыми методами секвенирования генома. Однако, по словам Йокоямы, более быстрый и простой путь не обязательно лучший для получения истинного, количественного результата.
"Если вы изучаете только современные молекулы, вы видите лишь часть картины, и эта картина часто ошибочна".
Йокояма два десятилетия изучает адаптивную эволюцию зрения у рыб и других позвоночных. Пять классов генов опсинов кодируют зрительные пигменты, отвечающие за сумеречное и цветовое зрение.
В 1990 году он идентифицировал три конкретные аминокислотные замены, которые превращают человеческий красный пигмент в зелёный. Позже другие исследователи подтвердили эти данные, но обнаружили, что три изменения работают только в одном направлении. Для обратного процесса, превращения зелёного пигмента обратно в красный, потребовалось семь изменений.
Разгадка этого парадокса заняла 10 лет и привела к ключевому выводу: эксперименты проводились на современных молекулах. Когда около 30 миллионов лет назад у некоторых приматов ген красного пигмента дублировался, три аминокислотные замены, превратившие один дубликат в зелёный пигмент, происходили на фоне других мутаций.
"Вы должны понимать исходные взаимодействия всех аминокислот в пигменте, а для этого нужно смотреть на предковые молекулы. В этом весь секрет".
Метод реконструкции предковых молекул
Статистический анализ позволяет Йокояме и его коллегам "вернуться во времени" и оценить последовательности предковых молекул. Это трудоёмкий процесс, требующий пошагового отслеживания и отсева шума на каждом этапе для построения надёжного эволюционного дерева.
В 2008 году Йокояма возглавил создание наиболее обширного эволюционного дерева для сумеречного зрения, включающего животных от угрей до человека. В ключевых точках дерева его лаборатория конструировала функции предковых генов, чтобы связать изменения в среде обитания с молекулярными изменениями.
Этот многомерный подход, сочетающий микробиологию с теоретическими вычислениями, биофизикой, квантовой химией и генной инженерией, позволил в 2009 году идентифицировать рыбу-саблю как первую известную рыбу, перешедшую от ультрафиолетового зрения к фиолетовому. Йокояма точно установил, как это произошло: путём делеции аминокислотной молекулы в позиции 86 в цепи аминокислот гена опсина.
Вывод
Экспериментирование на предковых молекулах — ключ к получению правильного ответа на проблемы естественного отбора, но в эволюционной биологии очень мало примеров такой работы. Этот подход необходим для понимания механизмов адаптивного фенотипа, функции гена и того, как эта функция меняется, что может найти применение в медицине и других областях науки.