Устойчивые системы сохраняются при мутациях

На первый взгляд, устойчивость (robustness) и эволюционный потенциал (evolvability) — два ключа к существованию жизни — кажутся несовместимыми. Живым организмам нужны устойчивые гены; иначе любая мутация может привести к гибели. В то же время, вид должен использовать мутации для эволюции, адаптации и выживания в меняющемся мире.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Science, предполагает, что устойчивость и эволюционный потенциал не только совместимы, но и идут рука об руку.

«Они кажутся почти противоположными чертами, — говорит биолог из Цюрихского университета и внешний профессор SFI Андреас Вагнер. — Если система устойчива, она сохраняется перед лицом мутаций. Но если вы действительно хотите иметь возможность эволюционировать, вы должны быть способны изменяться в ответ на мутации. В этом и заключается проблема».

Однако Вагнер и постдокторант Джошуа Пейн утверждают, что, будучи далеко не противоположностями, устойчивость и эволюционный потенциал — две стороны одной медали. Их исследование было сосредоточено на 104 транскрипционных факторах мыши и 89 дрожжей — специальных белках, ответственных за регуляцию экспрессии генов.

Для выполнения своей работы транскрипционные факторы взаимодействуют с последовательностями ДНК, называемыми сайтами связывания; обычно данный фактор может присоединяться более чем к одному сайту. Пейн и Вагнер обнаружили, что чем больше сайтов может связывать транскрипционный фактор — и чем больше он может «перепрыгивать» с одного совместимого сайта на другой посредством одиночных мутаций — тем более устойчива его функция.

Более того, эта устойчивость облегчает популяции, например, мышей или дрожжей, находить новые, потенциально полезные мутации — ключевое слово здесь «популяция». Когда их транскрипционные факторы устойчивы, каждый член группы может выполнять одни и те же биологические функции, несмотря на большое разнообразие в лежащей в основе ДНК сайтов связывания. В свою очередь, их потомство будет иметь еще большее разнообразие: большинство сохранит функции исходных транскрипционных факторов, некоторые получат вредные мутации, но некоторые — новые, ценные функции.

Этот проект является частью усилий Пейна и Вагнера по пониманию истоков биологического разнообразия. Ссылаясь на слова голландского ботаника Хуго де Фриза, Вагнер отмечает, что «естественный отбор может объяснить выживание наиболее приспособленных, но не может объяснить появление наиболее приспособленных».