Местоположение гена в хромосоме объясняет эволюционные изменения

Генетики из Центра геномной и системной биологии Нью-Йоркского университета и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера Принстонского университета установили, что местоположение гена на хромосоме играет ключевую роль в формировании вариативности и эволюции признаков организма. Исследование, опубликованное в журнале Science, указывает, что эволюция в меньшей степени зависит от природы самого признака и в большей — от положения влияющих на него генов в геноме.

Поиск причин вариативности признаков

Физические признаки, такие как рост или цвет глаз, генетически варьируют между особями. Хотя эти различия в популяции могут быть значительными, их причинами могут быть лишь несколько процессов: мутация, естественный отбор и случайность.

Исследователи стремились детально понять, почему признаки различаются по степени своей вариативности, и определить, какие части генома варьируют и как это влияет на экспрессию признаков. Для этого они проанализировали геном нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans) — первого животного с полностью секвенированным геномом, являющегося модельным организмом в генетике.

Учёные измерили около 16 000 признаков у C. elegans, которые представляли собой показатели активности экспрессии каждого гена в клетках червей.

Роль мутаций и естественного отбора

Сначала исследователи проверили, более ли одни признаки, чем другие, подвержены мутациям. Разный уровень мутаций действительно объяснил часть результатов. Также были выявлены значительные различия в диапазоне вариаций из-за естественного отбора: признаки, жизненно важные для организма (например, активность генов, необходимых для развития эмбриона), варьировали гораздо меньше, чем менее значимые для выживания (например, активность генов, отвечающих за обоняние).

Однако эти результаты не объясняли большую часть наблюдаемой картины вариативности — не хватало важного фактора.

Ключевая роль местоположения гена

В поисках недостающего объяснения учёные рассмотрели структуру хромосом C. elegans, а именно — расположение различных генов вдоль хромосом.

Хромосомы содержат тысячи генов, некоторые из которых находятся в середине их линейной структуры, а другие — на концах. Анализ показал, что гены, расположенные в центре хромосомы, с меньшей вероятностью способствовали генетической вариативности признаков, чем гены, находящиеся на концах. Таким образом, местоположение гена на хромосоме влияет на диапазон физических различий между признаками.

Эволюционная связь с соседями

С помощью математической модели биологи выяснили, почему местоположение является фактором вариативности. Гены, расположенные рядом со множеством других генов, эволюционно связаны со своими геномными соседями. В частности, естественный отбор, устраняющий вариации среди жизненно важных генов, также удаляет различия в соседних генах, независимо от их значимости.

У C. elegans гены в центрах хромосом связаны с большим числом соседей, чем гены ближе к концам. В результате гены в центре менее способны накапливать генетические вариации.