Эволюция новых генов в реальном времени

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе и Уппсальского университета впервые экспериментально показали, как живые организмы развивают новые функции.

Наблюдение, опубликованное 19 октября в журнале Science, заполняет важный пробел в теории естественного отбора.

Популярная теория и её проблема

Согласно одной из популярных гипотез, новые гены возникают, когда существующий ген случайно дублируется. Затем дубликат мутирует и приобретает новую функцию, которая, если она полезна, закрепляется в популяции. Проблема этой модели в том, что естественный отбор эффективно удаляет нефункциональные или слабофункциональные генные копии. Непонятно, как новый дубликат может сохраняться достаточно долго, чтобы «найти» полезную функцию.

Новая модель: инновация, амплификация, дивергенция

Эксперименты привели к новой модели, которая включает три этапа:

  1. Инновация: Исходный ген сначала приобретает слабую побочную функцию в дополнение к своей основной активности.
  2. Амплификация: Если условия меняются и побочная функция становится важной, естественный отбор начинает благоприятствовать увеличению экспрессии этого гена. Самый простой способ — дублирование гена (возможно, многократное).
  3. Дивергенция: Отбор действует на все копии гена. Они накапливают мутации и рекомбинируют. Некоторые копии усиливают побочную функцию, другие сохраняют исходную. В итоге клетка получает два различных гена с разными функциями.

Экспериментальное подтверждение

Исследователи во главе с Йоакимом Насваллом проверили эту модель на бактериях Salmonella. У бактерий был ген, участвующий в синтезе аминокислоты гистидина, который обладал слабой побочной активностью в синтезе другой аминокислоты — триптофана. Учёные удалили у бактерий основной ген синтеза триптофана и наблюдали за эволюцией в среде без этой аминокислоты.

После 3000 поколений у бактерий развился новый механизм производства триптофана. Эту функцию обеспечивала дублированная копия исходного гена.

Ключевое преимущество модели

Как отметил соавтор работы Джон Рот, важное улучшение новой модели в том, что «весь процесс происходит под постоянным давлением отбора — нет периода «простоя», в течение которого лишняя копия могла бы быть потеряна». Побочная функция сразу становится полезной, что поддерживает существование дубликатов.