Новые гены чаще возникают сразу в готовом виде из некодирующих участков ДНК

Новые гены, скорее всего, появляются в эволюции сразу в полностью сформированном виде, а не постепенно формируются через последовательные стадии «протогенов». К такому неожиданному выводу пришли Бенджамин Уилсон и Джоанна Мейзел из Университета Аризоны в исследовании, опубликованном в журнале Nature Ecology & Evolution 24 апреля.

Традиционно считается, что новые гены (последовательности ДНК, кодирующие белок) возникают из существующих генов путём дупликации и дивергенции. Ранее другие учёные предполагали, что гены также могут возникать из некодирующих последовательностей ДНК через примитивные «протогены», которые постепенно совершенствуются.

Однако Мейзел и её команда обнаружили обратное. Они проанализировали полногеномные последовательности ДНК дрожжей и мышей, определив возраст каждого гена. Затем с помощью статистического анализа они создали модель, показывающую среднюю степень упорядоченности продукта каждого гена.

Ключевой вывод: самые молодые гены оказались наименее упорядоченными из всех. Это противоречит идее постепенного «облагораживания» протогенов.

Почему это важно для эволюции новых генов?

• Для успешного функционирования белка необходим здоровый баланс между гидрофильными (водолюбивыми) и гидрофобными (водоотталкивающими) аминокислотами.
• Слишком гидрофильный белок останется неструктурированной цепью, неспособной выполнять задачи.
• Слишком гидрофобный белок будет слипаться, становясь бесполезным и даже опасным (как амилоидные бляшки при болезни Альцгеймера).

Поскольку случайные некодирующие последовательности с высокой вероятностью порождают высокоупорядоченные (и потенциально вредные) белки, у нового гена больше шансов «выжить», если он изначально будет «сверхгеном» — то есть кодировать полипептид с выше средней степенью неупорядоченности.

«Вместо того чтобы постепенно наращивать гидрофильные участки, молодые гены, наоборот, движутся вниз от более гидрофильного и неупорядоченного состояния к большему количеству гидрофобных областей», — объясняет Джоанна Мейзел.

Таким образом, полипептид имеет наивысший шанс «родиться», если он «сверхпохож на ген», а не «как бы похож на ген».

Экспериментальное подтверждение

Во втором исследовании в том же номере журнала соавтор работы Рафик Неме (ныне постдок в Медицинском центре Колумбийского университета) представил первые экспериментальные доказательства, что случайные некодирующие последовательности ДНК («мусорная ДНК») могут немедленно проявлять биологическую активность — как полезную, так и вредную.

Это говорит о дискретном переходе между не-генами и генами, а не о медленном приобретении функции.

Общий вывод:

Пул, из которого рождаются гены (случайные транскрипты, иногда переводящиеся в белок), может быть более благоприятным для возникновения новых генов, чем считалось. Поскольку такие «кандидаты в гены» быстро разрушаются мутациями, если не дают преимущества, рождение гена, вероятно, является внезапным переходом, а не постепенным процессом со множеством промежуточных стадий.