Гены, эволюционирующие «с нуля», расширяют разнообразие белков
Новое исследование, опубликованное в Nature Ecology and Evolution под руководством учёных из Чикагского университета, бросает вызов классическому представлению о том, как эволюционируют новые белки. Работа показывает, что случайные некодирующие участки ДНК могут быстро эволюционировать для производства новых белков. Эти de novo гены, или гены, возникшие «с нуля», представляют собой новый, неисследованный путь эволюции белков и вклада в биоразнообразие.
«Используя масштабное сравнение геномов, мы показываем, что некодирующие последовательности могут эволюционировать в совершенно новые белки. Это огромное открытие», — заявил Маньюань Лонг, старший автор исследования.
Третий путь эволюции генов
Десятилетиями считалось, что новые гены возникают только двумя путями: дупликацией и дивергенцией или рекомбинацией. Однако эти механизмы объясняют относительно небольшое число белков. Учёные давно предполагали существование третьего механизма — эволюции de novo генов из некодирующих участков, которые могут составлять до 97% генома.
Изучить это было сложно, так как требовались высококачественные референсные геномы нескольких близкородственных видов, чтобы проследить линию эволюции от предкового некодирующего участка до нового гена.
Прорыв благодаря геномам риса
Чтобы преодолеть эти трудности, команда Лонга использовала 13 недавно секвенированных и аннотированных геномов от 11 близкородственных видов растений риса, включая Oryza sativa. Это позволило провести прямое сравнение.
Анализ выявил как минимум 175 de novo генов. Последующий масс-спектрометрический анализ белковой активности, проведённый другой группой, показал, что 57% этих генов действительно транслируются в новые белки, включая более 300 новых пептидов.
С этим первым крупным набором данных об истинных de novo генах команда обнаружила закономерность их эволюции: она начинается с ранней эволюции экспрессии, за которой следует мутация, приводящая к появлению потенциала для кодирования белка.
«Это имеет смысл, учитывая широко наблюдаемую экспрессию межгенных участков у различных организмов», — пояснила Ли Чжан, ведущий автор статьи.
Виды риса Oryza — идеальные объекты для поиска de novo генов, потому что они относительно молоды (разделились всего 3–4 миллиона лет назад), и в их геномах ещё видны следы эволюции.
Следующие шаги и значение
Исследователи обнаружили свидетельства действия естественного отбора, который закреплял вставки и делеции в геноме для генерации новых белковых последовательностей. Дальнейшая работа будет направлена на изучение функций и структур этих новых белков.
«Новые белки могут улучшать определённые функции или помогать лучше регулировать гены. На каждом шаге они могут приносить организму пользу, пока постепенно не закрепятся в геноме», — заключил Маньюань Лонг.