Самоограничение генов позволяет эволюционной новизне

Изменения в генах, контролирующих развитие, могут вносить большой вклад в эволюцию, порождая новые формы у растений и животных. Однако, поскольку гены развития часто влияют на множество процессов, изменения в их экспрессии несут риск «побочных эффектов». Учёные из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне и их коллеги показали, как самоподавление гена может снизить потенциальные побочные эффекты новой экспрессии, позволяя эволюционировать новым формам. Эта саморегуляция происходит через особый молекулярный механизм с использованием небольших участков геномной ДНК — низкоаффинных сайтов связывания транскрипционного фактора.

Используя в качестве примера эволюцию формы листа, международная группа под руководством директора Мильтоса Циантиса дала новый ответ на вопрос, как природа балансирует потенциал для новизны и риск побочных эффектов.

Исследование проводилось на резушке волосистой, которую группа Циантиса развила в модельную систему для понимания эволюции формы растений. Оно основано на предыдущей работе, в которой было обнаружено, что ген RCO привёл к диверсификации формы листа у растений семейства капустных, приобретя новую картину экспрессии.

RCO кодирует транскрипционный фактор. Его новая картина экспрессии привела к появлению более сложных форм листьев у резушки. Исследователи теперь показали, что это изменение экспрессии сопровождалось приобретением RCO способности подавлять собственную активность. Как отмечает не участвовавший в исследовании Майк Левин из Принстонского университета, такое самоподавление RCO «ограничивает сферу его активности», «тем самым блокируя потенциально вредные влияния на развитие и функцию клеток».

Стимуляция цитокинина

Учёные идентифицировали гены-мишени RCO и обнаружили, что многие из них отвечают за координацию локального уровня цитокинина — широко действующего растительного гормона, влияющего на рост клеток. Важно, что при нарушении саморегуляции RCO он чрезмерно стимулирует цитокинин, и форма листа изменяется таким образом, что может негативно влиять на приспособленность растения. Это подтверждает идею, что самоподавление RCO может быть необходимо для сохранения новых морфологий листа, которые он вызывает.

Примечательно, что это самоподавление происходит особым способом. Учёные обнаружили, что оно основано на множестве слабых взаимодействий между белком RCO и регуляторной ДНК RCO на низкоаффинных сайтах связывания. «Это открытие захватывающее, — объясняет Циантис, — потому что низкоаффинные сайты связывания могут эволюционировать относительно быстро, предлагая лёгкий способ для эволюции держать изменения экспрессии генов под контролем, снижая экспрессию регулятора».

«Мягкое» подавление

Эта работа напрямую демонстрирует, что низкоаффинные сайты связывания транскрипционного фактора могут играть важную роль в возникновении морфологической новизны. Предоставляя инструмент для «мягкого» подавления экспрессии RCO, эти сайты смягчают эффекты изменений его экспрессии и позволяют точно настраивать уровни цитокинина. Это, в свою очередь, способствует появлению более сложных форм листьев, например, за счёт точного регулирования роста лопастей или листочков по краям развивающегося листа.

Эти результаты стимулируют дальнейшие усилия по изучению влияния низкоаффинных сайтов связывания на развитие, разнообразие и болезни. Например, растёт понимание, что изменения в регуляции генов развития вносят большой вклад в болезни человека, а другие регуляторные изменения могут снижать тяжесть болезни или защищать носителей болезненных вариантов. Хотя конкретные последовательности ДНК, лежащие в основе этих эффектов, часто неизвестны, данная работа выделяет низкоаффинные сайты связывания транскрипционного фактора как отличные кандидаты для поиска причинных последовательностей, связанных с предрасположенностью к болезням, и для более широкого понимания вариаций признаков у сложных эукариот.