Новые эволюционные инсайты: выход за пределы лаборатории
Две новые работы под руководством Джастина Крокера, руководителя группы в EMBL в Гейдельберге, демонстрируют, как использование нестандартных лабораторных условий и подходов синтетической биологии помогает понять фундаментальные механизмы регуляции развития и эволюции фенотипов.
Эти исследования вносят вклад в развивающуюся область феномики — систематическое изучение признаков организма, их изменчивости в процессе развития и в ответ на среду.
Изучение фенотипов в лаборатории и в «диких» условиях
Биологи часто работают со стандартизированными лабораторными условиями для обеспечения воспроизводимости. Однако это может скрывать эффекты, проявляющиеся только за пределами узкого диапазона условий.
Команда использовала эмбрионы плодовой мушки и другие модели, а также кормовые субстраты на основе фруктов, собранных на территории кампуса EMBL в Гейдельберге.
Эксперименты показали, что потеря определенного эпигенетического маркера — монометилирования H3K4 — приводит к изменениям в поведении, экспрессии генов, метаболизме и даже скорости воспроизводства.
«Этот эпигенетический маркер присутствует по всему геному, но его удаление, как считалось, почти не влияет на экспрессию генов, что наводило на мысль о его незначительной роли», — отметил первый соавтор Альберт Цай, бывший постдок в лаборатории Крокера.
Ученые обнаружили, что потеря H3K4-монометилирования вызывает изменения, особенно когда мух кормят натуральными пищевыми источниками. Без этого маркера определенные признаки становятся чувствительными к условиям среды и разному генетическому фону.
«Это бросает вызов текущей парадигме максимальной стандартизации экспериментов. Нам нужны контролируемые способы внесения более естественной среды в лабораторию», — сказал Цай.
Синтетическая биология и возникновение новых фенотипов
Во втором исследовании команда задалась вопросом, как вообще возникают новые фенотипы — центральный вопрос эволюционной биологии.
Изучая экспрессию генов в эмбрионах мух с точковыми мутациями в энхансерах, ученые заметили, что уровень экспрессии менялся, но оставался в тех же тканях. «Мы начали задаваться вопросом: что нужно, чтобы экспрессия появилась в другом месте? Как в ходе эволюции возникают новые функции?» — сказал первый автор Рафаэль Галупа.
Затем команда ввела в геном полностью случайные последовательности ДНК, подобные тем, что могут появляться из-за вирусов или мобильных генетических элементов (транспозонов).
К удивлению исследователей, случайные последовательности легко запускали экспрессию генов, причем во всех частях эмбриона.
«Мы давно говорили о таком эксперименте, и все считали это безумием. А мы просто сделали это», — сказал Крокер. «В нашей области часто думают о том, как генерируется экспрессия. Это исследование заставляет задуматься: если любая случайная последовательность может ее запустить, и в геноме миллионы последовательностей, — возможно, вопрос не в том, как ее создать, а в том, как ее подавить или контролировать».
В будущих работах лаборатория Крокера продолжит углубленно изучать механизмы, связывающие генотип и среду с фенотипами.
Исследования опубликованы в журналах Cell Reports и Developmental Cell.