Старые гены могут научиться новым трюкам
Новое исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences бросило вызов популярному среди эволюционных биологов мнению, что фундаментальные гены не могут приобретать новые функции.
Биологи из Университета Индианы Армин Мочек и Дебра Роуз сообщают, что два древних гена были «кооптированы» для помощи в построении нового признака у жуков — роскошных рогов, давших название жукам-рогачам. Гены Distal-less и homothorax затрагивают большинство аспектов развития личинок насекомых и поэтому считались «закрытыми» для эволюции новых признаков.
У двух изученных видов рогачей генетические последовательности Distal-less и homothorax почти не отличались, что говорит о сохранении их уникальной идентичности из-за давления отбора против изменений. Изменилось не строение самих генов, а когда и где они включаются.
Для исследования учёные изучили три гена развития, общих для всех насекомых: Distal-less, homothorax и dachshund. Эти «верхнеуровневые» регуляторные гены влияют на множество процессов, таких как развитие ног, антенн и крыльев. В рогачах каждый из этих генов, вероятно, имеет сотни или тысячи «нижестоящих» мишеней.
Секвенирование подтвердило, что все три гена высоко консервативны (неизменны) как внутри каждого вида жуков (Onthophagus taurus из Италии и Onthophagus binodis из Южной Африки), так и между ними, несмотря на расхождение их линий около 24 миллионов лет назад.
Чтобы понять эффект генов, Мочек и Роуз применили РНК-интерференцию — технику, отключающую действие конкретных генов. Личинок жуков разделили на три группы: без инъекции, с инъекцией буфера с бессмысленной РНК и с инъекцией РНК-интерференционных транскриптов, направленных против одного из трёх ключевых генов.
Было обнаружено, что два из трёх генов, Distal-less и homothorax, используются обоими видами для развития рогов:
- Distal-less влияет на развитие как грудных (формирующихся за головой), так и головных рогов.
- homothorax влияет только на развитие грудных рогов.
- Ген dachshund не оказывает никакого влияния на развитие рогов у обоих видов.
«Эволюция новых признаков не требует эволюции новых генов. Много инноваций может вырасти из внутреннего генетического инструментария организма», — заявил Мочек.
Более важно то, что для такого «рекрутирования» кандидатами являются все гены развития, а не только те, чьи функции считаются несущественными или ограниченными.
Исследование также может заставить эволюционных биологов пересмотреть концепцию плейотропии — влияния одного гена на множество признаков. «Возможно, наше понимание плейотропии слишком упрощено... теперь, когда мы знаем, что фундаментальные гены развития могут с относительной лёгкостью приобретать новые и разнообразные функции, плейотропия может быть не таким уж сдерживающим фактором, как мы думали», — отметил Мочек.