Эволюция регуляции генов: как микробные соседи решают разногласия
Даже на генетическом уровне микробы подчиняются принципу спроса и предложения. Не все продукты их генов (белки) нужны постоянно, поэтому большинство генов активны только тогда, когда это необходимо. В простейшем случае ген активируется в нужный момент фактором транскрипции. Более сложный механизм — когда ген изначально подавлен репрессором, который удаляется только при необходимости.
Исследователи из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (Германия) и Калифорнийского университета с помощью компьютерного моделирования и теоретического анализа показали, что эволюционный выбор между этими двумя механизмами регуляции определяется двумя противоположными принципами:
- «Используй или потеряешь» (use-it-or-lose-it): если гены активны часто, они, как правило, регулируются прямым индуцированием (активацией). Это объясняется необходимостью частого использования регуляторных белков, иначе они подвергаются вредным мутациям.
- «Износ» (wear-and-tear): постоянное использование регуляторов также может привести к негативным последствиям. Поэтому гены, продукты которых требуются редко (например, фермент лактаза у кишечной палочки E. coli), чаще регулируются через репрессоры.
Какой из принципов возобладает, зависит от эволюционных критериев:
Размера популяции
Периодов, в течение которых происходят изменения в окружающей среде
В небольших популяциях, существующих в медленно меняющейся среде, действует принцип «используй или потеряешь» с максимальным использованием регуляторных белков. В противоположном случае (большие популяции, быстрые изменения среды) вступает в силу принцип «износа» с минимальным использованием белков.
Исследование, опубликованное в PNAS Early Edition (22 мая 2009 г.), может стать основой для более детального изучения эволюции регуляторных систем, которая до сих пор слабо изучена.