Более сложные биологические системы эволюционируют свободнее

Наши гены (генотип) определяют наши характеристики (фенотип). Эволюция действует на изменения фенотипа, которые происходят, когда мутации меняют лежащий в основе генотип. Но изменения фенотипа, которые могут быть вызваны мутациями, не безграничны — муравьи не могут внезапно обзавестись хоботом или стать размером со слона. Исследователи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) обнаружили, что в системе регуляции генов у бактерии Escherichia coli чем больше компонентов мутирует, тем свободнее система может эволюционировать. Таков результат исследования, опубликованного командой под руководством Калина Гуэта, Джонатана Боллбэка и первого автора Мато Лагатора в журнале eLife.

Эффекты мутаций определяют, как система может меняться. Но в системе из нескольких компонентов, регулирующей экспрессию генов, что происходит, когда мутируют несколько компонентов? Имеет ли система меньше или больше вариантов для изменений? Исследователи изучили этот вопрос на примере небольшой системы регуляции генов в E. coli, состоящей из двух компонентов: во-первых, фактора транскрипции — белка, контролирующего скорость транскрипции генетической информации с ДНК на РНК. Во-вторых, его сайта связывания на ДНК, где фактор транскрипции связывается, чтобы начать транскрипцию. В этом исследовании учёные изучили, что происходит, когда они мутируют каждый компонент по отдельности и когда мутируют оба компонента одновременно.

Несколько контринтуитивно они обнаружили, что эволюция системы менее ограничена, когда мутирует больше компонентов. «В полном контрасте с тем, что я предполагал до проведения экспериментов, если мы мутируем несколько компонентов, система может эволюционировать свободнее. Для меня это стало полной неожиданностью!» — говорит первый автор Мато Лагатор. Затем команда исследовала, почему система может эволюционировать в большем количестве направлений по сравнению с её отдельными компонентами.

Они обнаружили, что система эволюционирует свободнее, потому что мутации в двух компонентах взаимодействуют друг с другом — явление, которое они называют «межмолекулярный эпистаз». Мато Лагатор объясняет его значение: «Эпистаз означает, что один плюс один не равняется двум, а трём или нулю. Говоря генетическим языком, одна точечная мутация меняет фактор транскрипции так, что фенотип нашей системы регуляции генов меняется на X, а другая точечная мутация меняет сайт связывания так, что фенотип меняется на Y. Теперь, когда обе мутации происходят вместе, фенотип — это не просто X+Y, он другой». Это означает, что мутации взаимодействуют, давая всей системе больше свободы для изменений и эволюции.

До сих пор наше понимание эпистаза в основном было описательным, но то, как существующие молекулярные механизмы определяют паттерны эпистаза, не было понято. В этом исследовании учёные дают механистическое понимание того, как взаимодействуют мутации в двух разных молекулах, объясняет Мато Лагатор. «Самое захватывающее, мы показываем, что — в этой системе регуляции генов — большая часть эпистаза возникает из генетической структуры самой системы. Эта структура определяет, как мутации взаимодействуют друг с другом».