Направленная вариация числа копий генов: ключ к освоению новых сред

Исследование на дрожжах выявило новый механизм, позволяющий клеткам быстрее адаптироваться к изменениям окружающей среды за счёт ускорения генетических изменений вокруг генов, повышающих приспособленность. Работа опубликована 27 июня в открытом журнале PLOS Biology доктором Джоном Хаусли и коллегами из Института Бабрахама в Кембридже, Великобритания.

Обычно считается, что различия в приспособленности возникают из-за случайных генетических изменений. Новое исследование показывает механизм, при котором изменения могут быть целенаправленно нацелены на гены, которые используются клеткой более интенсивно.

Учёные использовали дрожжи для изучения изменений числа копий генов в клетке. Увеличение числа копий позволяет клеткам синтезировать больше белкового продукта, делая процессы более эффективными. Результаты показывают, что когда клетка интенсивно использует определённый ген (транскрибируя его в mRNA для синтеза белка), у неё повышается вероятность изменения числа его копий. В некоторых клетках это приводит к появлению большего числа копий, помогая им лучше приспособиться к среде. То есть, чем интенсивнее используется ген, тем выше вероятность изменения числа его копий и потенциального повышения приспособленности клетки.

В частности, исследование было сосредоточено на гене дрожжей CUP1, необходимом для выживания в среде с высоким содержанием меди. Дрожжевые клетки обычно содержат от двух до пятнадцати копий этого гена. При повышении уровня меди учёные наблюдали увеличение вариабельности числа копий. В результате некоторые клетки получали дополнительные копии гена CUP1, что позволяло им выигрывать конкуренцию у клеток с меньшим числом копий в той же среде.

Дальнейшие результаты продемонстрировали, что клетки могут контролировать этот процесс с помощью белка Rtt109, который добавляет химические модификации в определённые участки генома, способствуя изменению числа копий в этих областях.

Райан Халл, аспирант, ведущий исследование в лаборатории Хаусли, сказал: «Мы думаем о генетических изменениях как о чисто случайном процессе, но клеткам логично развить способ фокусировать этот процесс, чтобы помочь себе адаптироваться к меняющейся среде. Уже есть конкретные примеры этого, но интересно здесь то, что предложенный нами механизм потенциально может работать для многих генов по всему геному».

Будущая работа в этой области будет направлена на определение того, сколько генов в геноме могут использовать этот процесс для адаптации числа своих копий к изменениям окружающей среды, и на изучение того, могут ли аналогичные системы работать для управления эволюцией у других организмов.