Гены, которые эволюционируют с нуля, расширяют разнообразие белков - UChicago Medicine

Один из самых важных вопросов в эволюционной биологии — как быстро у живых организмов появляются новые гены. Результаты исследования группы из Чикагского университета и центра секвенирования генома BGI-Shenzhen бросают вызов одному из классических предположений, согласно которому есть лишь два способа образования новых генов: дупликация (удвоение) существующих генов и рекомбинация (обмен частями генов). Новое исследование показывает, что некодирующие участки ДНК, составляющие значительную часть генома, могут быстро измениться, став кодирующими. Эти возникшие de novo гены обеспечивают новый, неисследованный способ эволюции белков. Этот механизм эволюции может открыть путь к созданию изменённых организмов с уникальными свойствами.

Гены, которые эволюционируют с нуля, расширяют разнообразие белков

Один из самых важных вопросов в биологии-как быстро новые белки развиваются в организмах. Белки являются строительными блоками, которые выполняют основные функции жизни. По мере изменения генов, которые их производят, меняются и белки, вводя новые функциональные возможности или черты, которые в конечном итоге могут привести к эволюции новых видов.

Новое исследование, опубликованное в Nature Ecology and Evolution под руководством ученых из Чикагского университета, бросает вызов одному из классических предположений о том, как развиваются новые белки. Исследования показывают, что случайные, некодирующие участки ДНК могут быстро эволюционировать для получения новых белков. Эти de novo, или “с нуля”, гены обеспечивают новый, неисследованный способ эволюции белков и внесения вклада в биоразнообразие.

"Используя большое сравнение генома, мы показываем, что некодирующие последовательности могут эволюционировать в совершенно новые белки. Это огромное открытие", - сказал Маньюань Лонг, доктор философии, заслуженный профессор экологии и эволюции в Учикаго Эдна К. Папазян и старший автор нового исследования.

Третий способ эволюции генов

На протяжении десятилетий ученые считали, что есть только два способа эволюции новых генов: дублирование и дивергенция или рекомбинация. В ходе нормального процесса репликации и восстановления часть ДНК копируется и создает дубликат гена. Затем одна из этих копий может приобрести мутации, которые изменяют ее функциональность настолько, что она расходится и становится новым геном. При рекомбинации куски генетического материала перетасовываются для создания новых комбинаций и новых генов. Однако эти два метода лишь относительно небольшое количество белков, учитывая общее количество возможных комбинаций аминокислот, из которых они состоят.

Ученые давно задавались вопросом о третьем механизме, где de novo гены могут развиваться с нуля. Все организмы содержат длинные участки генетического материала, которые не кодируют белки, иногда до 97 процентов от общего генома. Возможно ли, чтобы эти некодирующие разделы приобрели мутации, которые внезапно делают их функциональными?

Это было трудно изучить, потому что это требует высококачественных справочных геномов от нескольких тесно связанных видов, которые показывают как предковые, некодирующие последовательности, так и последующие новые гены, которые эволюционировали из них. Без этой ясной, видимой линии эволюции нет способа доказать, что это действительно ген de novo. Предполагаемые новые гены, о которых сообщалось ранее, могли быть просто "осиротевшим геном", который в какой-то момент разошелся или перешел от несвязанных организмов, а затем все следы его предшественников исчезли.

Чтобы преодолеть эти проблемы, команда Лонга воспользовалась 13 новыми геномами, секвенированными и аннотированными недавно из 11 тесно связанных видов растений риса, включая Oryza sativa, наиболее распространенную продовольственную культуру. Он работал с группами, возглавляемыми профессором родом Уингом в Университете Аризоны. Профессор Йидан Оуян из Сельскохозяйственного университета Хуачжун, Китай, также возглавил команду, которая выращивала свои собственные растения риса в Хайнане, тропическом острове у южного побережья Китая, и собирала их для отбора проб протеомики.

    Каждый шаг пути они могут принести какую-то пользу организму, пока он постепенно не закрепится в геноме.

Проанализировав геномы этих растений, они обнаружили по крайней мере 175 de novo генов. Дальнейший масс-спектрометрический анализ активности белка был проведен другой группой под руководством профессора Сици Лю в BGI-Shenzhen, центре секвенирования генома, расположенном в Шэньчжэне, Гуандун, Китай. Они обнаружили доказательства того, что 57 процентов этих генов фактически переводятся в новые белки, включая более 300 новых пептидов.

С помощью этого первого большого набора аутентичных генов de novo команда Лонга обнаружила закономерность в их эволюции. Он начался с ранней эволюции экспрессии, за которой последовала мутация в белок, кодирующий потенциалы почти для всех de novo генов.

“Это имеет смысл, учитывая широко наблюдаемое выражение межгенных областей в различных организмах", - сказал Ли Чжан, постдокторский исследователь в UChicago и ведущий автор статьи.

Лонг говорит, что растения Oryza являются хорошими геномами для поиска новых генов, потому что они относительно молоды—вы все еще можете видеть доказательства эволюции в их существующих геномах.

"11 видов разошлись друг от друга всего около трех-четырех миллионов лет назад, поэтому все они являются молодыми видами”, - сказал он. "По этой причине, когда мы упорядочиваем геномы, все последовательности очень похожи. Они не накопили несколько поколений изменений, поэтому все предыдущие разделы без кодирования все еще существуют.”

Затем лонг и его команда хотят изучить новые белки, чтобы глубже понять их функцию и эволюцию и посмотреть, есть ли что-то уникальное в их структуре. Если гены de novo откроют неисследованный путь эволюции, они смогут выявить механизмы создания новых и улучшенных клеточных функций. Например, исследователи обнаружили свидетельства естественного отбора, действующего для фиксации вставок и делеций в геноме для генерации новых последовательностей белка, и эволюции последовательности в сторону улучшения функций.

"Новые белки могут улучшить некоторые функции или помочь лучше регулировать гены”, - сказал он. "Каждый шаг пути они могут принести какую-то пользу организму, пока он постепенно не закрепится в геноме.”

Источник: www.uchicagomedicine.org

Комментарии: