Меньше, но больше: Новый эволюционный сценарий, отмеченный массовой потерей и экспансией генов
Эволюция традиционно ассоциируется с процессом усложнения и приобретения новых генов. Однако взрыв геномной эры показывает, что потеря генов и упрощение — гораздо более частый процесс в эволюции видов, чем считалось ранее, и он может способствовать новым биологическим адаптациям, облегчающим выживание организмов.
Этот, казалось бы, контр-интуитивный эволюционный драйвер — «меньше значит больше» в генетических терминах — теперь раскрывает удивительное измерение, которое описывается новым эволюционным концептом «меньше, но больше». Речь идёт о явлении массовых потерь генов, за которыми следуют крупные экспансии за счёт дупликаций генов.
Таков один из главных выводов статьи в журнале Molecular Biology and Evolution, подготовленной командой из Секции генетики Факультета биологии и Института исследований биоразнообразия (IRBio) Университета Барселоны при участии коллег из Института науки и технологий Окинавы (OIST).
Исследование выявляет новые эволюционные паттерны и описывает новый сценарий, отмеченный огромным потенциалом для генетических изменений и эволюционной адаптации, движимой крупномасштабной потерей и дупликацией генов.
Меньше, но больше: Новый эволюционный сценарий
О влиянии потери генов на диверсификацию видов и появление эволюционных инноваций в древе жизни по-прежнему много вопросов.
«Потеря генов — широко распространённый механизм на всех уровнях биологической организации, представляющий собой эволюционную движущую силу, способную генерировать генетическую изменчивость и биологические адаптации. Это традиционно известно как гипотеза "меньше значит больше"», — говорит Кристиан Каньэстро, руководитель исследования.
Теперь статья описывает новую эволюционную модель «меньше, но больше», расширяющую предыдущую концепцию в части важности потери генов как эволюционной движущей силы.
Исследование, являющееся частью докторской диссертации Гаспара Санчеса-Серны, сосредоточено на изучении генома вида Oikopleura dioica — плавающего организма морского зоопланктона из оболочников (туникат), сестринской группы позвоночных. На этой модели — свободноживущем оболочнике (аппендикулярии) — команда реконструировала эволюционную историю семейств генов фактора роста фибробластов (FGF), критически важных в процессе развития организмов.
«Результаты показывают, что процесс потери генов сократил количество семейств генов FGF с восьми до всего двух: Fgf9/16/20 и Fgf11/12/13/14. Эти выжившие подсемейства в ходе эволюции удвоились, породив в общей сложности 10 генов у аппендикулярий», — объясняет Санчес-Серна, первый автор статьи.
Эти два подсемейства могут представлять минимальный набор, сохранивший секреторные и внутриклеточные функции соответственно, и раскрывают важную информацию об эволюции системы FGF.
От сидячего образа жизни к активному плаванию
Исследование даёт новую перспективу на эволюцию подсемейств FGF в группе хордовых: массовые потери и дупликации предковых генов произошли у основания линии аппендикулярий после их отделения от асцидий. Все эти изменения способствовали морфологическому расхождению между разными видами свободноживущих оболочников, такими как O. dioica.
«Наше исследование представляет новую гипотезу о том, как потери и дупликации генов FGF могут быть связаны с изменениями в развитии. Мы говорим об эволюционных инновациях — изменениях в морфологии и плане строения тела, — которые привели к эволюции от сидячего, подобного асцидии, образа жизни к свободноживущим, активно плавающим формам, таким как аппендикулярии», — говорит Санчес-Серна.
Исследование также выявляет различия в структуре генов FGF у O. dioica из разных частей мира, предоставляя первые молекулярные доказательства того, как эти быстро эволюционирующие популяции становятся криптическими видами (морфологически и генетически очень сходными организмами, до сих пор классифицируемыми как один вид).
Эволюционная модель «меньше, но больше» «помогает нам понять, как иногда потеря открывает новые возможности для последующего приобретения, и, следовательно, потери необходимы для благоприятствования эволюционному происхождению новых адаптаций», — заключает Каньэстро.