Как формировались функции органов в ходе эволюции
Крупномасштабное исследование молекулярных биологов из Гейдельбергского университета дало новые фундаментальные данные об эволюции и регуляции экспрессии генов в органах млекопитающих. Учёные изучили синтез РНК и последующий синтез белка в органах человека и других репрезентативных млекопитающих. С помощью технологий секвенирования они проанализировали более 100 миллиардов фрагментов экспрессии генов из различных органов. Им удалось показать, что тонко сбалансированное взаимодействие двух процессов синтеза в ходе эволюции было решающим для формирования функций органов.
Функции органов основаны на сложном взаимодействии активности множества генов — экспрессии генов. «До сих пор наше понимание этих важнейших генетических программ у млекопитающих было ограничено первым слоем экспрессии генов — производством матричных РНК», — поясняет профессор д-р Хенрик Кессманн, руководитель исследовательской группы «Функциональная эволюция геномов млекопитающих» в Центре молекулярной биологии Гейдельбергского университета (ZMBH). «Следующий слой — фактический синтез белков на рибосомах путём трансляции матричных РНК — оставался в значительной степени неизвестным».
Именно этот второй процесс синтеза теперь более пристально изучили гейдельбергские исследователи. Используя технологии секвенирования нового поколения, они проанализировали экспрессию генов в различных органах на обоих слоях. Они изучили мозг, печень и семенники человека и других выбранных млекопитающих, включая макак-резусов, мышей, опоссумов и утконосов. «На основе этих данных мы могли совместно исследовать оба слоя экспрессии генов и сравнивать их между органами млекопитающих с помощью современных биоинформатических подходов», — объясняет д-р Евгений Леушкин из ZMBH.
В своём крупномасштабном исследовании учёные ZMBH показали, что тонко сбалансированное взаимодействие двух процессов синтеза в ходе эволюции было критически важным для формирования функций органов. Впервые они смогли показать, что — помимо регуляции производства матричных РНК — другие регуляторные механизмы на уровне трансляции имеют решающее значение для оптимизации количества производимого белка во всех органах. Это особенно верно для семенников, где регуляция трансляции является ключевой для развития сперматозоидов.
Ещё одно важное открытие касается мутационных изменений в регуляции экспрессии генов, возникших в ходе эволюции. Эти изменения часто балансировались между двумя слоями. Изменения, компенсирующие друг друга, в основном сохранялись для обеспечения производства стабильного количества белка.
В исследовании участвовали учёные из Франции и Швейцарии. Финансирование было предоставлено Немецким научно-исследовательским обществом и Европейским исследовательским советом. Данные доступны в базе данных с открытым доступом. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.