Учёные обнаружили ген, контролирующий скорость генетической рекомбинации

Учёные давно признали, что обмен генетическим материалом посредством кроссинговера — рекомбинация — жизненно важен для естественного отбора. Однако у разных видов частота кроссинговера сильно различается. Исследователи предполагают, что скорость рекомбинации эволюционировала, чтобы балансировать между её преимуществами и рисками, связанными с «эгоистичной ДНК».

Дэвен Прескрейвс, профессор биологии Рочестерского университета, и аспирантка Кара Бранд достигли важной вехи в изучении этой эволюционной динамики. Изучая два вида плодовых мушек, они обнаружили ген MEI-218, который контролирует скорость рекомбинации. В статье, опубликованной в Current Biology, они объясняют, как MEI-218 контролирует межвидовые различия в скорости кроссинговера.

«Это первый ген, о котором я знаю, который, как было показано, ответственен за эволюцию скорости рекомбинации», — говорит Прескрейвс.

Сравнение двух видов

Команда сосредоточилась на двух близкородственных видах плодовых мушек — Drosophila melanogaster и Drosophila mauritiana. Между ними эволюционировали большие различия в скорости рекомбинации: D. mauritiana осуществляет примерно в 1.5 раза больше кроссинговера, чем D. melanogaster. Сравнивая гены двух видов, исследователи обнаружили, что последовательности ДНК гена MEI-218 у них чрезвычайно различны.

Зачем нужна рекомбинация?

«Естественный отбор работает лучше всего, когда есть разнообразие генотипов, — говорит Кара Бранд, ведущий автор статьи. — Перетасовка комбинаций аллелей посредством рекомбинации генерирует это разнообразие».

Рекомбинация важна по двум основным причинам:

1. Она может объединить полезные аллели разных генов на одной хромосоме, создав «выигрышную» комбинацию, которая закрепится в будущих поколениях.
2. Она позволяет адаптироваться к изменяющейся среде, создавая новые комбинации генов, некоторые из которых окажутся полезными.

Эволюционная гонка вооружений с «эгоистичной ДНК»

Однако не существует единой идеальной скорости рекомбинации. Кроссинговер необходим для получения жизнеспособного потомства, но он также сопряжён с рисками. «Эгоистичные» последовательности ДНК, известные как транспозоны, распределены по всему геному. Если аномальный кроссинговер происходит между транспозонами в разных местах хромосом, это может привести к дупликации или делеции важных генов.

Бранд и Прескрейвс выдвигают гипотезу, что изменение скорости рекомбинации между видами могло эволюционировать из-за разного количества транспозонов в их геномах. Геном D. melanogaster содержит больше транспозонов, чем у D. mauritiana. Поэтому D. melanogaster, возможно, эволюционировала более низкая скорость кроссинговера, чтобы избежать повышенного риска вредных перекрестов между транспозонами.

Это означает, что ген MEI-218 постоянно эволюционирует к меняющемуся оптимуму. Его эволюция аналогична эволюции генов, участвующих в иммунитете, — это «эволюционная гонка вооружений», где гены постоянно догоняют меняющийся оптимум приспособленности.

Значение для человека

Ген MEI-218 пока изучен только у плодовых мушек, но исследования рекомбинации важны и для человека. «Во время мейоза, как правило, требуется хотя бы один кроссинговер на хромосому, чтобы обеспечить правильное расхождение хромосом, — объясняет Бранд. — Именно недостаток кроссинговера или его возникновение в неправильных областях генома приводит ко многим врождённым дефектам, таким как синдром Дауна».