Не все гены необходимы для выживания: как виды избавляются от лишнего генетического багажа

Человеческий геном содержит около 21 000 генов. Но так ли нужен каждый из них? Некоторые организмы в процессе эволюции значительно сократили свои геномы, чтобы адаптироваться к особым условиям обитания.

Ранее считалось, что каждый ген в геноме организма необходим для выживания. Однако исследования видов с небольшими, "оптимизированными" геномами доказали обратное. Понимание того, как работают эти компактные геномы, помогает лучше понять и функционирование человеческого генома.

Реорганизация генома в ходе эволюции

Изменения в геноме могут быть как небольшими (замена одного "кирпичика" ДНК), так и крупномасштабными — потеря или дупликация больших участков ДНК. Потеря значительных объемов генетического материала со временем называется стримингом (оптимизацией) генома. Этот процесс позволяет организмам процветать в сложных условиях, например, в бедных питательными веществами водах океана.

Примеры оптимизации генома у птиц и растений

Яркий пример — колибри. У них самый маленький и наименее изменчивый геном среди птиц — около 900 000 000 единиц ДНК. Гены, кодирующие белки, в среднем на 27–50% короче, чем в геномах млекопитающих. В процессе оптимизации была утрачена ДНК, не вносившая активного вклада в жизнь на больших высотах и крайне активный, энергозатратный образ жизни колибри.

В царстве растений примером служит мелкое водное растение пузырчатка (Utricularia gibba). Оно адаптировалось к хищному образу жизни, сохранив гены, позволяющие расщеплять сложные молекулы с помощью специальных ферментов и сохранять структурную целостность в водной среде. Избыточные и менее важные гены были утрачены.

Экстремальная оптимизация: самый маленький геном

Один из рекордсменов — одноклеточная цианобактерия Prochlorococcus marinus, обитающая в открытом океане. Её геном составляет всего 1 800 000 единиц ДНК, что является самым маленьким известным геномом среди фотосинтезирующих организмов.

Эти бактерии утратили целые генетические пути, необходимые для создания многих жизненно важных молекул, например, аминокислот. В результате P. marinus не может выжить в естественной среде без помощи симбиотических видов, которые поставляют ей необходимые аминокислоты. В лаборатории их также нельзя вырастить без "помощников" или прямого добавления нужных аминокислот.

Зависимость от другого вида

Схожие симбиотические отношения существуют внутри насекомых. Некоторые виды бактериального патогена Nardonella сократили свой геном до 230 000 единиц ДНК, сохранив только гены, необходимые для синтеза ДНК и производства аминокислоты тирозина.

Эти бактерии получают почти все свои метаболические потребности от жука-долгоносика, в котором живут. Взамен они предоставляют конечный "строительный блок" для пути синтеза тирозина, который нужен долгоносику для формирования более темного и твердого экзоскелета, защищающего от хищников и высыхания.

Исследования этих животных, растений и бактерий показывают, что не каждый ген был необходим для выживания в их конкретных условиях. Изучение оптимизации генома приближает нас к пониманию того, как возникают генетические адаптации и каково минимальное количество генов, необходимое виду для выживания в уникальных, сложных средах.