Генные сети направляют эволюцию до начала естественного отбора

Естественный отбор — это гонка за воспроизводство. Однако, изучая сложные сети генов, формирующие организм, учёные задаются вопросом: как структура этих сетей определяет, какие особи появятся на «стартовой линии», влияя на эволюцию ещё до начала конкуренции?

Исследователи из Университета Иллинойса Карен Сирс и Зои Рапти с коллегами изучили этот вопрос на примере генной сети, управляющей развитием конечностей у млекопитающих.

Они обнаружили, что на ранних стадиях формирования конечностей активность генов в этой сети варьирует мало. Позже, когда начинает формироваться детальная структура конечности, структура сети меняется, а активность генов начинает варьировать значительно сильнее. Эта закономерность может облегчать эволюционную «настройку», а не полную перестройку структуры конечностей.

«Когда мы смотрим на эволюционную летопись, то видим, что некоторые формы возникали неоднократно, а другие — никогда. Меня интересует роль развития в формировании этих паттернов», — сказала Карен Сирс.

Многие гены кодируют белки, которые влияют или регулируют активность друг друга. Эти функциональные связи можно представить как паутину. Некоторые взаимодействия и гены в этой сети сильнее или слабее других. Компьютерные модели могут математически описать эту структуру.

Учёные смоделировали, что происходит, когда случайное событие (например, мутация) меняет активность одного гена. Насколько это повлияет на всю сеть и ход развития?

Используя опубликованные данные о взаимодействиях генов в развитии, они создали модель для ранних и поздних стадий развития конечностей. Модель позволила «дернуть за нить» в генной паутине и увидеть, насколько сильно нарушится остальная сеть.

Результаты моделирования показали:

• В раннем развитии конечности сеть сопротивляется распространению изменений. Даже при изменении активности одного гена сеть в целом продолжает функционировать почти как обычно.
• В позднем развитии архитектура сети иная, и изменение активности одного гена оказывает более широкое воздействие.

Эмпирическое исследование активности генов у четырёх млекопитающих (мышей, летучих мышей, опоссумов и свиней) подтвердило: активность генов развития сильнее различается на поздних, чем на ранних стадиях. Это верно как при сравнении особей одного вида, так и при сравнении между видами.

Теоретические и эмпирические данные подтвердили гипотезу Сирс: геномные механизмы ограничивают степень изменчивости на ранних стадиях развития конечностей у млекопитающих. С эволюционной точки зрения это логично.

«Если раннее развитие нарушено, развитие конечности будет серьёзно нарушено, и маловероятно, что получившаяся структура окажется преимущественной для отбора, — сказала Сирс. — Позднее развитие, которое не имеет столь многочисленных последствий, может быть более свободным для изменений, так как последствия такой вариации будут менее катастрофическими».

Исследование опубликовано в PLOS Genetics (DOI: 10.1371/journal.pgen.1005398).