Как эволюция позволяет совершать крупные скачки в развитии
Большинство эволюционных изменений происходят крошечными шагами. Но как совершаются крупные скачки, например, изменение числа крыльев у насекомого? Команда учёных из Калифорнийского технологического института (Caltech) в сотрудничестве с коллегами из Temple University School of Medicine показала, что такие изменения могут быть результатом совместного действия случайных колебаний (ненаследственной изменчивости, или «шума») и явления частичной пенетрантности.
Частичная пенетрантность — это степень, в которой одинаковая генетическая мутация по-разному влияет на разных особей в популяции. Даже генетически идентичные клетки в одной среде могут вести себя по-разному из-за «шума». Это позволяет мутации проявляться у одних организмов, но не у других.
Исследователи изучили это явление у бактерии Bacillus subtilis, а именно в процессе образования спор — «спящих» копий материнской клетки для выживания в тяжёлых условиях. Дикий тип B. subtilis всегда образует одну спору с одной копией хромосомы.
Учёные исследовали мутантную форму, в которой нарушена коммуникация между формирующейся спорой и материнской клеткой. В этом случае обнаружились четыре возможных исхода:
- Нормальное спорообразование, как у дикого типа.
- Бактерия делает две копии хромосомы (всего три), но образует одну спору.
- Бактерия делает одну копию хромосомы, но образует две споры (летальная мутация).
- Бактерия делает две копии хромосомы и образует две споры — явление «двойникования».
Последний вариант, ранее не наблюдавшийся у B. subtilis, возникал примерно у 1% мутантных бактерий. Исследователи поняли, что эта изменчивость — ключ к пониманию эволюционного скачка. «Вы не можете перейти от 1 к 1,1 споре. Но легко найти мутацию, которая просто меняет частоту проявления признака», — отмечает первый автор работы Авигдор Эльдар.
Дальнейшие эксперименты показали, что, комбинируя мутации (например, дополнительно усиливая сигналы к репликации хромосомы), можно повысить процент бактерий, образующих две споры, с 1% до 40%. «Когда у вас только одна мутация, двойникование проявляется с очень низкой пенетрантностью. Но, добавляя всё больше мутаций, вы можете увеличить пенетрантность до очень высоких уровней», — объясняет Эльдар.
Выводы исследования:
- Качественный переход от одной формы к другой (например, от одной споры к двум) может происходить через изменение относительной частоты (пенетрантности) этих форм в популяции.
- «Шум» — случайные колебания в клетке — не помеха, а ключевая часть процесса, позволяющая генетически идентичным клеткам вести себя по-разному.
- Бактериальные системы — удобная модель для изучения фундаментальных вопросов эволюции развития.
Источник: «Partial penetrance facilitates developmental evolution in bacteria», Nature.