Могут ли живые организмы влиять на изменения в своих генах?

Исследователи из Кильского центра эволюции (KEC) впервые продемонстрировали причинно-следственную связь между эпигенетическими модификациями белков упаковки ДНК и частотой мутаций. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Эксперимент на грибе-вредителе

Учёные использовали в качестве модели гриб Zymoseptoria tritici, поражающий пшеницу. В многоклеточных организмах ДНК упакована с помощью гистоновых белков. Модификации этих белков влияют на плотность упаковки генетического материала.

Исследователи провели масштабные эволюционные эксперименты, сравнивая колонии грибов, в которых искусственно отключали определённые ферменты, ответственные за естественные модификации гистонов, с немодифицированными колониями. Наблюдения велись в течение года.

Чтобы исключить влияние естественного отбора, учёные еженедельно отбирали случайную грибную колонию и выращивали новую колонию из одной клетки. Это создавало «эволюционное бутылочное горлышко», фиксирующее возникающие генетические варианты в следующем поколении. Накопившиеся мутации анализировали с помощью высокопроизводительного секвенирования генома.

Прямая причинно-следственная связь

«Экспериментальное ингибирование эпигенетических модификаций привело к значительному изменению частоты мутаций — в зависимости от типа модификации мутации возникали либо значительно чаще, либо реже», — говорит первый автор работы доктор Майкл Хабиг.

Таким образом, модификации напрямую ответственны за частоту и местоположение спонтанных мутаций в геноме и могут влиять на эволюционное развитие вида. Исследование впервые на экспериментальных данных показывает, что разные эпигенетические модификации и изменения частоты мутаций не просто коррелируют, а причинно обусловлены друг другом.

Контроль над мутациями?

Результаты дают первые подходы к ответу на вопрос, могут ли организмы самостоятельно управлять или оптимизировать свою частоту мутаций. Особенно в системах «вредитель-хозяин» (например, Zymoseptoria tritici и пшеница) ускоренная взаимная адаптация могла бы быть полезной.

«Поскольку они эволюционируют вместе и должны реагировать на взаимные изменения, существуют области генетической информации хозяина и вредителя, которые должны адаптироваться быстрее других», — поясняет Хабиг. Это может быть точкой, в которой организм воздействует на частоту мутаций для достижения ускоренной адаптации.

В пользу этого говорит и то, что определённые модификации расположены именно в тех областях генетического материала, которые помогают грибу преодолевать иммунную систему растения.

Значение для науки

«Наши новые результаты в принципе также актуальны в различных областях применения. Доказательство причинно-следственной связи эпигенетических модификаций и частоты мутаций открывает новые перспективы для целого спектра исследовательских полей», — подчеркивает руководитель работы профессор Ева Штукенброк.

Новые данные помогут лучше понять адаптацию вредителей растений к своим хозяевам или эволюцию опухолей. В будущих исследованиях учёные планируют выяснить, происходят ли такие вмешательства в геном целенаправленно и связаны ли они с процессами эволюционной адаптации.