Гены из «мусора»
Возникновение генов с нуля оказалось обычным явлением
Откуда в геноме живого существа берутся гены, которых нет ни у каких других видов? Новое исследование показывает, что они чаще всего возникают практически «из ничего», точнее из мусорной ДНК.
Все живые организмы в тесном родстве друг с другом. 30% человеческих генов – общие с кишечной палочкой, а 50% – с бананом. К слову, это одно из многочисленных доказательств того факта, что всё живое произошло от общего предка.
Однако у каждого вида есть небольшой процент генов, уникальных только для него или его ближайших родственников. В геномах других организмов нет не только точных копий таких участков ДНК, но и их очевидных аналогов. Специалисты называют их генами-сиротами.
Откуда берутся такие новые в эволюционной истории гены? Есть как минимум два возможных пути. Во-первых, постепенное накопление различий между родственными генами (дивергенция) может зайти так далеко, что биологи просто не опознают «двоюродных братьев». Считается, что именно этот сценарий – самый распространённый для возникновения генов-сирот.
Есть и другой путь. Напомним, что ген – это инструкция по синтезу РНК. РНК может служить прообразом для синтеза белка (основной «рабочей лошадки» в клетке) или выполнять другие функции.
Но в каждом геноме есть масса мусорной, или некодирующей, ДНК. Это «бывшие гены», которые некогда напрочь вышли из строя. Содержащиеся в них инструкции по синтезу РНК утратили работоспособность из-за ошибок, внесённых мутациями.
Тем не менее, мусорная ДНК продолжает мутировать. Более того, эти мутации не «вымываются» естественным отбором, так как некодирующая ДНК не влияет на жизнь клетки и организма в целом (впрочем, последний тезис в последнее время подвергается критике). И рано или поздно в результате таких случайных изменений из этого «мусора» может возникнуть новый работоспособный ген. В этом случае специалисты говорят, что ген возник de novo.
Считается, что это экзотический сценарий, который редко реализуется. Но результаты двух новых исследовани, опубликованных в журналах Nature Communications (Vakirlis et al., De novo emergence of adaptive membrane proteins from thymine-rich genomic sequences) и eLIFE (Vakirlis et al., Synteny-based analyses indicate that sequence divergence is not the main source of orphan genes), свидетельствует о другом.
Авторы разработали новую методику, позволяющую определить, имеет ли ген-сирота работоспособные аналоги в геномах других видов, даже если «кузены» совершенно не похожи друг на друга. Опираясь на этот метод, учёные искали «потерянных родственников» для генов дрожжей, мух и человека.
Результаты получились обескураживающими.
«К нашему удивлению, самое большее около трети генов-сирот являются результатом дивергенции. Это, в свою очередь, говорит о том, что большинство уникальных генов в тех видах, которые мы исследовали, являются результатом других процессов, в том числе появления de novo. Следовательно, это происходит гораздо чаще, чем первоначально думали учёные», – констатирует соавтор статьи Ифе МакЛайсет (Aoife McLysaght) из Тринити-колледжа в Дублине.
Биологи не остановились на этом и задали следующий вопрос: велико ли влияние новых генов на жизнь организма?
В качестве подопытных организмов учёные выбрали дрожжи. Они имеют короткие геномы, быстро размножаются и в то же время относятся к эукариотам, в отличие от, скажем, бактерий.
Сначала исследователи выводили из строя гены-сироты, некогда возникшие у дрожжей de novo. Обычно это не снижало жизнеспособности этих организмов ни «в пробирке», ни в естественных популяциях. Другими словами, большинство появившихся de novo генов не являются жизненно необходимыми (во всяком случае, у дрожжей). И этому есть объяснение: в конце концов, существовал же непосредственный предок дрожжей и без них.
На втором этапе биологи пошли другим путём. Они, наоборот, искусственно усилили работу (экспрессию) «новичков». И дрожжи тут же активизировали рост. При этом специалисты проверили, что эта реакция не вызвана экспрессией ещё каких-то генов, не являющихся de novo.
Другими словами, гены, возникшие «из мусора», могут быть очень полезны и давать своим носителям важные эволюционные преимущества.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru