Форма или функция? Эволюция выбирает разные пути
Биологам давно известно, что эволюция формирует как внешний облик организмов, так и их внутреннее устройство. Но лежат ли в основе изменений формы и функции одни и те же генетические механизмы? Новое исследование учёных из Мичиганского университета и Национальных институтов исследований здоровья Тайваня предполагает, что нет.
Исследование запланировано к онлайн-публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 5 апреля.
В исследовании эволюционный биолог Мичиганского университета Цзяньчжи "Джордж" Чжан и его коллеги Бен-Ян Ляо и Мэн-Пин Вэн решили систематически проверить гипотезу, предложенную молекулярным биологом Шоном Кэрроллом в 2005 году. Кэрролл предположил, что изменения в морфологии (такие как форма, цвет и структура внешних и внутренних частей) происходят через иные генетические механизмы, чем изменения в физиологии (внутреннем функционировании). Кэрролл подкрепил своё утверждение примерами, но эта идея, бросившая вызов предыдущей догме, была спорной.
Для проверки гипотезы команда Чжана обратилась к базе данных нокаутных мышей — лабораторных мышей, у которых методами генной инженерии отключены определённые гены.
Было найдено около 5200 генов, нокаут которых был изучен. Из них исследователи выделили около 900 генов, нокаут которых влияет только на морфологические признаки, а не на физиологические. Эти гены были названы морфогенами. Также было найдено около 900 физиогенов — генов, влияющих только на физиологические признаки.
Сравнение двух групп генов выявило значительные различия в молекулярных функциях их продуктов:
- Морфогены чаще несли инструкции для транскрипции — этапа, определяющего, должен ли ген быть включён и сколько продукта должно быть произведено.
- Физиогены чаще были чертежами для ферментов, рецепторов, транспортеров и ионных каналов.
Следующим шагом было изучение закономерностей эволюции в этих двух группах генов.
В классической работе 1975 года эволюционные биологи Мэри-Клэр Кинг и Аллан Уилсон утверждали, что эволюция как морфологии, так и "образа жизни" (физиологии и поведения) происходила за счёт изменений в том, как гены включаются и выключаются, а не через прямые изменения в самих продуктах генов. Кэрролл, отмечая 30-летие этой влиятельной работы, предположил иное: что физиологические изменения обусловлены изменениями в последовательности белков, а морфологические — изменениями в экспрессии генов.
Новый анализ Чжана и коллег показал, что на уровне белковой последовательности физиогены эволюционировали гораздо быстрее, чем морфогены, что согласуется с идеей Кэрролла.
Затем исследователи изучили данные об экспрессии генов, чтобы увидеть, насколько по-разному гены включаются или выключаются в идентичных тканях разных видов. Было обнаружено больше различий в морфогенах, чем в физиогенах. То есть, морфогены эволюционируют быстрее в отношении паттернов экспрессии, что поддерживает идею, что морфологические изменения возникают в основном из-за изменений в экспрессии генов.
Это открытие может помочь не только в будущих эволюционных исследованиях, но и в изучении болезней человека. Анализ данных по нокаутным мышам предполагает, что морфологические дефекты с большей вероятностью связаны с проблемами в экспрессии генов. Это знание может сузить круг кандидатных генов и мутаций, которые необходимо искать.