Моделирование эволюции для понимания скрытого переключателя

Компьютерное моделирование эволюции клеток на протяжении десятков тысяч поколений объясняет, почему некоторые организмы сохраняют неиспользуемый механизм переключения, активирующийся при сильном стрессе и меняющий их характеристики. Поддержание этого «скрытого» переключателя — один из способов сохранить высокую стабильность экспрессии генов в нормальных условиях.

У личинок табачного бражника (томатного рогатого червя) наблюдается фенотипическое переключение: в тёплых регионах они зелёные для маскировки, а в холодных — чёрные, чтобы поглощать больше солнечного света. Этот скрытый в норме механизм активируется в ответ на опасные генетические или средовые изменения.

«Компьютерное моделирование, основанное на разумных допущениях и проводимое под тщательным контролем, — очень мощный инструмент для имитации реальной ситуации, — говорит вычислительный биолог Синь Гао из KAUST. — Это помогает учёным наблюдать и понимать принципы, которые в лабораторных экспериментах увидеть очень сложно или невозможно».

Гао и научный сотрудник Хироюки Кувахара создали компьютерную модель эволюции 1000 асексуальных микроорганизмов. Каждому организму задали модель генной цепи для регуляции экспрессии определённого белка X.

Модель эволюционировала 90 000 поколений:

• Древняя популяция (первые 30 000 поколений) — стабильные условия, идентичные не переключающиеся генетические цепи.
• Промежуточная популяция (следующие 30 000 поколений) — колеблющаяся среда, меняющаяся каждые 20 поколений.
• Производная популяция (последние 30 000 поколений) — снова стабильная среда.

Особи древней и производной популяций, эволюционировавшие в стабильных условиях, имели оптимизированный для стабильности уровень экспрессии генов. Но разница в том, что стабильность древней популяции не включала фенотипическое переключение, а у производной популяции оно было. Разница, объясняет Кувахара, возникла в промежуточной популяции, где переключение было выгодно для адаптации к меняющимся условиям.

Моделирование показывает, что популяции сохраняют механизм переключения в течение долгого периода стабильности, постепенно эволюционируя от переключателей с низким порогом срабатывания (в колеблющихся условиях) к переключателям с высоким порогом (в стабильной среде).

«Это проще, чем вернуться к состоянию без переключения через небольшие мутационные сдвиги, — говорит Кувахара. — В итоге мы получаем "скрытое" фенотипическое переключение, которое действует как эволюционный конденсатор, накапливая генетические вариации и высвобождая альтернативные фенотипы в случае существенных нарушений».

Далее команда планирует использовать компьютерное моделирование для изучения более сложных биологических систем, одновременно сотрудничая с экспериментальными лабораториями, чтобы разработать теоретические основы, поддающиеся экспериментальной проверке.