Скрытые генетические вариации обеспечивают эволюционные скачки
Лабораторные популяции, которые незаметно накапливают «скрытые» генетические варианты, способны на удивительные эволюционные скачки, согласно статье в выпуске Science от 26 июля. Лучшее понимание скрытой изменчивости может улучшить методы направленной эволюции для разработки новых биомолекул для медицинских и других применений.
Генетическая изменчивость — это топливо для всех эволюционных изменений. Но один её вид — скрытая, или «криптическая», вариация — не меняет внешний вид или поведение организма в его обычной среде.
Предыдущие работы показали, что скрытая изменчивость в природных популяциях способствует быстрой эволюционной адаптации, но молекулярные механизмы были неясны.
Чтобы их исследовать, команда Андреаса Вагнера работала с популяциями кишечной бактерии E. coli, несущими плазмиду с геном жёлтого флуоресцентного белка (YFP). Эксперимент состоял из двух этапов.
Этап 1: С помощью мутагенной ПЦР учёные увеличили изменчивость в гене YFP. Одновременно они проводили стабилизирующий отбор, оставляя только бактерии с узким диапазоном жёлтой флуоресценции. Так были созданы глубокие запасы скрытой генетической вариации без изменения цвета белка.
Этап 2: Правила отбора изменили — начали отбирать E. coli, флуоресцирующие в зелёной части спектра (движущий отбор). Также использовали контрольные популяции E. coli без усиленной скрытой вариации в YFP.
Результаты: Линии E. coli с запасами скрытой вариации эволюционировали в зелёный флуоресцентный белок (из генов YFP), который был и зеленее, и генетически более разнообразен, чем у контрольных линий.
Скрытая вариация сделала больше, чем просто ускорила адаптацию. Клеточные линии с её глубокими запасами эволюционировали к более зелёным вариантам YFP — формам белка, недоступным для обычных бактерий, — и сделали это несколькими уникальными путями, также недоступными для обычной E. coli.
Текущая лабораторная направленная эволюция часто приводит к одним и тем же результатам. Новая работа показывает, как накопление скрытой вариации может открыть двери в иначе недоступные области пространства белковых последовательностей.
В природе скрытая вариация помогает рыбам адаптироваться к жизни в пещерах. В лаборатории она может помочь биомолекуле связываться с новым рецептором. Эта работа может помочь разработать новые стратегии направленной эволюции для поиска инновационных биомолекул для биотехнологических и медицинских применений.
Как солидный сберегательный счёт, скрытая вариация — это запас изменчивости, который становится доступен в критической ситуации для быстрых эволюционных изменений, важных для выживания линии и полезных для молекулярных биологов.