Насекомые показывают, как ошибки ДНК становятся эволюционными инновациями

В двух недавних работах учёные показали, как «опечатки» в ДНК могут приводить к полезным изменениям. У многочисленных видов насекомых задокументированы генетические ошибки, позволившие им не только питаться высокотоксичными растениями, но и использовать эти токсины для самозащиты.

Речь идёт о карденолидах — токсинах, вырабатываемых растениями, такими как ваточник (молочай), основная пища гусениц бабочки монарха. Токсин убивает, связываясь с белком, необходимым для передачи нервных импульсов, который есть у всех сложных животных.

Более двух десятков видов насекомых независимо друг от друга приобрели мутации в одном и том же гене, кодирующем белок-мишень для токсина. Мутация позволяет насекомым производить альтернативную версию белка, на которую токсин не действует.

Многие насекомые развили устойчивость хитрым способом — создав дублирующую копию этого гена. Теперь у них есть одна копия, оставшаяся практически нетронутой, и вторая, которая может исследовать новые эволюционные пути. В итоге насекомые получают как устойчивую, так и уязвимую формы белка.

Затем насекомые совершили ещё один эволюционный трюк: изменения в близлежащих участках ДНК позволили регулировать активность двух разных копий гена в различных частях тела. Изменённый, устойчивый к токсину ген был более активен в кишечнике, где клетки сталкиваются с химической атакой напрямую. В мозге же более активна исходная, уязвимая версия гена, возможно, потому что оригинальная версия белка там более эффективна.

Эволюция объединила три разных подхода для решения одной проблемы, и эти изменения происходили параллельно у совершенно разных видов. Исследованные насекомые, питающиеся ядом, очень далеки друг от друга в родственном плане (их эволюционные пути разошлись около 300 миллионов лет назад), и у всех них есть более близкие родственники, которые не переносят токсин.

Работа под руководством биолога Питера Андольфатто из Принстонского университета опубликована в журнале Science. Аналогичный проект привёл к публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Это удивительный пример конвергентной эволюции: множество неродственных насекомых независимо эволюционировали под одним и тем же давлением отбора, решая проблему одинаковым способом.

Хотя вредных мутаций больше, чем полезных, организмы полны скрытых мутаций — изменений в «написании» ДНК, не имеющих очевидного эффекта. Когда вид попадает в среду с ядовитым растением, некоторые особи могут нести ранее скрытую мутацию, дающую им некоторую степень устойчивости. Теперь эти особи обречены на успех, потому что только они и их потомство могут питаться этими растениями.

Мутация могла существовать до встречи с ядовитыми растениями или возникнуть после. В любом случае история одинакова: мутации возникают случайно, но они полезны в текущей среде. Это и есть естественный отбор в действии.

Дополнительный бонус: насекомые, питающиеся ядом, могут накапливать токсины и сами становиться ядовитыми. Например, бабочки монархи продолжают нести токсин, хотя уже не питаются ваточником.

Эволюционный биолог Маркус Кронфорст из Чикагского университета изучает, как ядовитые насекомые развивают отличительные «предупреждающие» окраски, позволяя хищникам научиться их избегать. Там, где есть ядовитые насекомые с предупреждающей окраской, часто встречаются нетоксичные «подражатели», которые перенимают те же цвета и таким образом избегают быть съеденными.

Иногда внутри вида появляется группа особей с новым предупреждающим цветом. У изучаемых Кронфорстом бабочек одни особи жёлтые, а другие белые, и они предпочитают спариваться с особями своего цвета. Такие предпочтения в спаривании могут запустить образование нового вида.