Исследование воссоздает историю жизни через геном

Один из важнейших процессов в жизни клеток — репликация генома, то есть создание точных копий ДНК для передачи потомству при делении. У большинства организмов, от дрожжей до человека, репликация генома следует определенному плану: некоторые регионы генома копируются раньше других. Ранее нарушения в поздних фазах репликации связывали с раком и старением. Теперь команда из Испанского национального центра онкологических исследований (CNIO) под руководством Альфонсо Валенсии впервые связала этот процесс с эволюцией за миллионы лет жизни на Земле.

Исследование, проведенное совместно с Томасом Маркес-Бонетом из Института эволюционной биологии (CSIC-UPF) в Барселоне, представляет новый эволюционный подход, где главную роль играет геном, и открывает новые возможности для изучения эволюции живых существ и их разнообразия. Результаты опубликованы в открытом журнале Biology Open.

Валенсия поясняет: «Мы обнаружили, что репликация — это как зеркало, отражающее эволюционную историю живых существ: первые реплицирующиеся гены — самые старые, а те, что реплицируются позже, — самые молодые».

Согласно этой модели, каждый новый ген стремится реплицироваться после уже существующих, вызывая накопление последовательных слоев новых генов. Исследователи из группы Валенсии Давид де Хуан и Даниэль Рико сравнивают это с «ростом ствола дерева, где внешние концентрические кольца представляют самые последние годы жизни дерева». Но какие биологические преимущества дает эта модель?

Чем позже копируется генетический материал, тем выше вероятность повреждения ДНК и накопления мутаций. Таким образом, старые гены, жизненно важные для организма, расположены в защищенных регионах — тех, что накапливают меньше мутаций, — которые реплицируются рано. А новые гены реплицируются в более нестабильных регионах генома — тех, что накапливают больше мутаций, — которые реплицируются позже. «Это позволяет самым недавним генам эволюционировать гораздо быстрее, чем старым», — говорит Рико.

«Регионы, реплицирующиеся поздно, также имеют компактную и недоступную структуру; это скрытые зоны генома, которые действуют как эволюционные лаборатории, где гены могут приобретать новые функции, не влияя на основные процессы в организме», — добавляет де Хуан.

Авторы исследования утверждают, что эта модель могла облегчить появление новых генов, связанных со специфическими функциями в тканях и органах, и способствовать развитию сложных структур, таких как мозг или печень.

Рак и эволюция живых существ: общее происхождение

Появление мутаций в поздних реплицирующихся регионах уже связывали с раком и старением в предыдущих исследованиях. Оскар Фернандес-Капетильо, руководитель группы геномной нестабильности CNIO и один из авторов работы, называет результаты «удивительными», поскольку «они помогают понять, как радикальные изменения в геноме — которые до сих пор связывали только с образованием опухолей — одновременно являются решающими для эволюции видов».

Авторы указывают, что «самое увлекательное в этой модели — то, как поздние реплицирующиеся регионы способствовали адаптивной способности таких сложных видов, как человек».

Эволюционный взгляд на природу достиг новых измерений с последними достижениями молекулярной биологии и своего пика за последние 10 лет благодаря технологиям массового секвенирования генома. Валенсия говорит, что новые успехи в этом направлении помогут улучшить наше понимание всех живых систем.