Биоинформатики исследуют новые гены в момент их рождения
Накопленные данные свидетельствуют, что новые гены могут возникать спонтанно из ранее некодирующей ДНК, а не в результате постепенных мутаций существующих генов. Биоинформатики из Мюнстерского университета (Германия) впервые изучают самые ранние стадии возникновения этих «генов из ниоткуда», также известных как de novo гены.
Организмы эволюционируют постепенно за счёт накопления множества небольших генетических изменений — точечных мутаций. За миллионы лет эти мутации происходят в дублированных копиях устоявшихся генов, иногда придавая им новые полезные свойства. Десятилетиями считалось немыслимым, что совершенно новые гены могут возникать спонтанно. Лишь недавно появились серьёзные указания на то, что новые белок-кодирующие гены действительно могут формироваться de novo из так называемой некодирующей ДНК, то есть из частей генома, которые не производят белки. Новое исследование впервые изучило самые ранние стадии возникновения этих de novo генов. Исследование, опубликованное в Nature Ecology and Evolution, было проведено командой биоинформатиков под руководством профессора Эриха Борнберга-Бауэра из Института эволюции и биоразнообразия Мюнстерского университета.
С помощью компьютерного анализа команда сравнила несколько свойств de novo генов у мышей с таковыми у четырёх других видов млекопитающих: крыс, гоферовых (мешотчатых) крыс, людей и опоссумов. На основе этого сравнения исследователи смогли проследить 160 миллионов лет эволюции млекопитающих. Они внимательно изучили транскрипты ДНК (последовательности, присутствующие в клетке в виде РНК-шаблонов), которые содержат открытые рамки считывания (ORF), необходимые для кодирования белков.
«Наше исследование показывает, что новые ORF — иными словами, кандидаты в инструкции по сборке для новых белков — постоянно возникают "из ниоткуда" в некодирующих областях ДНК», — говорит биоинформатик Эрих Борнберг-Бауэр. «Но, как и их транскрипты, подавляющее большинство очень быстро исчезает в ходе эволюционного процесса».
Хотя лишь очень немногие из этих кандидатов действительно становятся полнофункциональными генами (то есть генами, содержащими инструкции по сборке функционирующих белков), некоторые кандидаты случайным образом сохраняются на более длительные периоды просто из-за огромного количества постоянно производимых новых транскриптов.
«Эти транскрипты затем можно обнаружить в нескольких эволюционных линиях, — говорит Борнберг-Бауэр. — Вероятно, они могут дополнять репертуар существующих белков в течение более длительных периодов времени и адаптироваться к взаимодействию с такими устоявшимися белками».
Это означает, что de novo белок может иногда приобретать функцию в организме.
«Это также даёт нам объяснение того, как в организме могут возникать принципиально новые свойства, — говорит Борнберг-Бауэр, — потому что это нельзя объяснить только точечными мутациями в генетической структуре».