Как молодые гены становятся незаменимыми
Учёные из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона впервые проследили короткий, но драматичный эволюционный путь молодого гена к статусу незаменимого. В исследовании, опубликованном 6 июня в Science, описано, как один ген плодовой мушки быстро приобрёл новую и важнейшую функцию, бросая вызов устоявшемуся мнению, что только древние гены играют ключевую роль.
«Мы не уделяли много внимания новому, потому что акцент всегда был на старом», — говорит Хармит Сингх Малик, старший автор исследования. — «Эта работа ломает парадигму, согласно которой новые гены по определению не так важны, ведь если бы они были важны, они были бы намного старше».
Меньшая изменчивость гена за миллионы или миллиарды лет его существования действительно указывает на его ключевую роль. Однако обратное утверждение не всегда верно. Молодые и быстро эволюционирующие гены тоже могут быть незаменимы. В 2010 году учёные из Чикагского университета с удивлением обнаружили, что молодые гены приобретают важнейшие функции с той же частотой, что и старые, но биология этого явления оставалась неисследованной.
Малик и его коллеги детально изучили один такой случай, отследив рождение гена и его путь к новой функции и эволюционной значимости. Модельный организм Drosophila melanogaster содержит относительно молодой ген Umbrea, который дуплицировался и начал расходиться со своим родительским геном всего 15 миллионов лет назад.
Учёные сравнили Umbrea с его родительским геном HP1B, изучив локализацию их белковых продуктов в клетке. Оба белка покрывают хромосомы, но белок Umbrea специфически нацеливается на центромеры — специализированные центры, которые помогают хромосомам удваиваться и разделяться при делении клетки.
В отличие от своего родительского гена, Umbrea необходим для выживания плодовых мушек. Клетки, лишённые белка Umbrea, не могут правильно распределять хромосомы по дочерним клеткам во время деления. Исследователи проследили эволюционный переход гена от второстепенного к критически важному, изучив его различия у родственных видов мух, и определили короткий участок ДНК, ответственный за эту незаменимость.
Понимание того, как Umbrea быстро приобрёл новую роль, может помочь учёным выявить другие клеточные процессы, подверженные столь же быстрой эволюции, как и белки центромер. Это включает гены, которые мутируют и становятся необходимыми для выживания раковых клеток. Такая эволюция раковых генов происходит чрезвычайно быстро — в течение жизни одного организма.
Подъём Umbrea не был столь стремительным, но 15 миллионов лет — это краткий срок по сравнению с большинством незаменимых генов мушки, которые в 4–5 раз старше, и некоторыми важными генами возрастом более миллиарда лет.
«Генетические конфликты, ведущие к быстрым изменениям, как в случае с Umbrea, также могут пролить свет на эволюционную гонку вооружений между хромосомами или даже между вирусами и генами иммунной системы хозяина», — отмечает Бенджамин Росс, ведущий автор исследования.
Результаты работы также указывают на потенциальные ограничения лабораторных модельных организмов для изучения здоровья человека. Хотя многие гены выполняют схожие функции у таких разных существ, как мушка и человек, учёные могут упускать из виду уникальные для человека гены, которые тем не менее жизненно важны. Несмотря на то что Drosophila melanogaster нуждается в Umbrea для выживания, несколько других очень близкородственных видов плодовых мух полностью лишены этого гена.
«То, что важно для одного вида или даже одного типа ткани, как раковая клетка, может не быть важным для другого типа ткани или родственного вида», — резюмирует Хармит Малик.