Гены гемоглобина и змеиного яда объединились в грызунах для создания феромонов
Исследователи из Токийского университета проследили эволюционное происхождение генов, позволяющих мышам, крысам и другим грызунам общаться с помощью запаха. Результаты, представляющие генеалогию семейства генов ESP (exocrine-gland secreting peptide), опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.
Профессор Кадзусиге Тоухара ранее изучал белки ESP, которые влияют на социальное или половое поведение мышей, выделяясь со слезами или слюной и передаваясь другим особям при контакте.
Доцент Ёсихито Ниимура возглавил поиск эволюционного происхождения генов ESP, используя современные базы данных ДНК. Поиск ESP-генов у 100 различных млекопитающих показал их наличие только у двух близкородственных семейств грызунов: Muridae (мыши, крысы, песчанки) и Cricetidae (хомяки и полёвки).
У Cricetidae было мало генов ESP, сгруппированных вместе, а у Muridae — как эта же небольшая группа, так и вторая, более крупная группа дополнительных ESP-генов.
«Мы предполагаем, что около 35 миллионов лет назад общий предок Muridae и Cricetidae сформировал первые гены ESP. Затем, примерно 30 миллионов лет назад, предок Muridae дублировал и расширил эти гены. Поэтому у мышей теперь гораздо больше генов ESP, чем у грызунов Cricetidae», — сказал Ниимура.
Исследователи обнаружили, что первый ген ESP образовался случайным объединением функциональных частей двух других генов.
Ген состоит из экзонов (которые становятся белком) и интронов (которые не становятся). Если бы случайно скопировался один экзон, получившийся фрагмент белка не имел бы функции. Однако, если копируется версия гена, состоящая только из экзонов (mRNA), шансы на функциональность нового последовательности возрастают. Клетки обладают механизмом, способным копировать mRNA обратно в ДНК.
«Это не обычный процесс в клетках, но это распространенный источник эволюции. Мы полагаем, что именно это произошло с генами ESP, потому что вся функциональная часть гена ESP — это один экзон, без прерывания интронами», — пояснил Ниимура.
Команда впервые обнаружила, что белки ESP содержат необычную спиральную структуру, характерную для альфа-глобина — компонента железосодержащего белка крови гемоглобина. Сравнение последовательностей ДНК выявило тонкое, но характерное сходство между ESP-геном и несколькими сшитыми вместе экзонами гена альфа-глобина.
«Неважно, что источником феромона ESP стал гемоглобин. Любой белок может стать феромоном, если он используется для видовой коммуникации», — отметил Ниимура.
Чтобы белок функционировал, он должен оказаться в правильном месте. В белках ESP часть, унаследованная от альфа-глобина, соединена с сигнальной последовательностью, которая направляет белок для секреции из слюнных и слезных желез. Эта сигнальная последовательность похожа на таковую у гена CRISP2, который экспрессируется в репродуктивных трактах и слюнных железах млекопитающих, а также в ядовитых железах некоторых змей.
Гены гемоглобина и CRISP — древние, существовавшие у общего предка позвоночных более 500 миллионов лет назад. Генетические перестановки, создавшие гены ESP, происходят относительно часто, но чтобы они стали наследуемыми эволюционными признаками, изменения должны произойти в половых клетках.
«Создание новых генов не происходит с нуля — природа использует уже существующий материал. Эволюция похожа на мастера, который использует старые вещи и сломанные детали, чтобы создать новое устройство с полезной функцией», — сказал Ниимура.
Исследователи планируют использовать новое понимание эволюции этого семейства феромонов для поиска новых феромонов. Короткая длина многих известных генов феромонов означает, что подобные феромоны могут быть упущены при стандартном поиске в геномах. Также они предполагают, что слюнные и слезные железы, часто игнорируемые из-за неудобства работы с ними, могут содержать интересные будущие открытия.