Темная ДНК и ее темное влияние на эволюцию

Дневная песчанка – странное создание. Живет в системе песчаных нор, ведет колониальный образ жизни. Питается галофитами вроде соляной лебеды, съедая за день листьев в количестве 80% собственной массы. Не пьет воду. Почки ее удивительно эффективны и производят весьма концентрированную мочу, благодаря чему песчанка и способна жить в пустыне и кушать галофиты. А еще у нее куда-то запропастились важные куски ДНК…

В лаборатории с песчанкой происходит нечто странное. Если накормить ее стандартной едой, которой потчуют всех лабораторных грызунов, она тут же начинает жиреть, заболевает диабетом 2-го типа и тихонько помирает. Этот фокус, открытый в 1960-х, очень понравился ученым, и песчанок с тех пор активно используют в качестве подопытных животных в исследованиях связи питания и диабета у людей.

Причина их восприимчивости к болезни кроется в гене Pdx1. Кодируемый им белок важен для многих процессов в организме, в том числе для развития поджелудочной железы и регуляции гена инсулина. Он жизненно необходим для нормальной физиологии и потому имеется у всех позвоночных животных. Кроме песчанок. Генетики выбились из сил, но так и не смогли найти его у этих грызунов. Вместе с тем у них вполне себе нормальная поджелудочная, а инсулин секретируется как ни в чем не бывало. Просто бессмыслица какая-то.

В прошлом году группа исследователей из разных стран расшифровала геном дневной песчанки. И сильно удивилась. Помимо Pdx1 у нее отсутствовал нехилый кусок ДНК с еще 87 генами! У других животных эти 88 генов располагаются вместе на одной хромосоме. Многие из них, как и Pdx1, жизненно необходимы. Но у песчанки их не было.

Тем более любопытно, что соответствующие этим генам РНК-транскрипты (РНК-копии ДНК-последовательностей, получаемые в процессе транскрипции и служащие матрицей для синтеза белков) в некоторых тканях песчанок прекрасно обнаруживались. Так где же спрятались их гены?

Ученые подметили одну странную особенность у этих транскриптов: чрезмерно высокое содержание гуанина (Г) и цитозина (Ц)*. Никто из авторов исследования ничего подобного в жизни не видел. И это могло объяснить, почему соответствующие им ДНК не удается отыскать. Дело в том, что стандартная технология секвенирования неважнецки воспринимает участки ДНК с высоким уровнем Г и Ц. Но можно попробовать использовать другой метод: поместить нашинкованную ДНК в высококонцентрированный раствор хлорида цезия и покрутить на ультрацентрифуге со скоростью 40 тысяч оборотов в минуту в течение трех дней – тогда фрагменты поплотнее, в том числе богатые Г и Ц, осядут на дно, и их можно будет секвенировать отдельно.

*Гуанин и цитозин – это нуклеотидные основания, которые вместе с аденином (А) и тимином (Т) входят в состав ДНК и составляют основу генетического кода. В молекуле РНК вместо тимина – урацил (тимин заменяется урацилом во время транскрипции).

Метода сработала! Пропавшая ДНК нашлась. По аналогии с темной материей, существование которой физики предполагают, но никак не могут пока ее обнаружить, эту потайную часть генома биологи назвали темной ДНК.

Их глазам предстала «мутационная горячая точка» – участок ДНК с невероятно огромным количеством мутаций, многие из которых представляют собой замены А и Т на Г и Ц. В гене Pdx1 песчанки, например, больше мутаций, чем в любой другой версии гена из всех известных у животных. Это приводит к тому, что у белка Pdx1 в одном ключевом участке наблюдаются отличия от обычной версии как минимум по 15 аминокислотам.

Для позвоночных животных крайне нехарактерны какие-либо мутации в этом участке ДНК. Как правило, мутации нарушают функциональность генов. А гены в данном конкретном фрагменте темной ДНК настолько важны для выживания, что практически не менялись на протяжении всей эволюционной истории позвоночных. Песчанки, правда, смеются над этим тезисом – их «темные» гены мутировали во все тяжкие и при этом как-то умудряются работать. Впрочем, супермутант Pdx1 песчанки явно плохо справляется с инсулином по сравнению с нормальными версиями гена у других зверушек – отсюда и диабет.

Тем не менее открытие темной ДНК требует от генетиков пересмотреть представления о том, сколько изменений могут вытерпеть гены, прежде чем утратить свою работоспособность. Кроме того, возникает закономерное предположение: наверняка ведь не у одних дневных песчанок имеется темная ДНК. Так, у 12 других видов песчанок тоже все никак не отыскивается ген Pdx1 – явный сигнал к тому, чтобы проверить их на наличие скрытой части генома, чем научная группа сейчас и занимается.

Также стоит обратить внимание на птиц: во многих расшифрованных птичьих геномах вроде как отсутствуют более 270 генов, которые имеются у большинства остальных позвоночных, включая очень важные – например, ген лептина (гормона, регулирующего энергетический обмен и голод). Но не так давно у птиц были обнаружены РНК-транскрипты этих «пропавших» генов, и они тоже чрезмерно насыщены нуклеотидами Г и Ц. По оценкам специалистов, из-за методических ограничений в предыдущих исследованиях птичьих геномов было недоучтено примерно 15% генов!

Темная ДНК может быть широко распространена в природе. И возможно, генетики уже не раз проглядели ее, когда расшифровывали геномы различных организмов. Чтобы понять, как происходит адаптация на молекулярном уровне и как развивались геномы в процессе эволюции, ученые сравнивают тысячи расшифрованных геномов и смотрят, какие гены утрачивались, а какие появлялись в тех или иных линиях. Но может быть, гены вовсе не терялись, а сильно мутировали и ушли в область темной ДНК? В таком случае выводы об эволюции геномов придется частично пересмотреть. В будущих геномных исследованиях, безусловно, нужно учитывать возможное присутствие темной ДНК. А все уже расшифрованные геномы стоит пересеквенировать заново, для полноты картины.

Кто-то может выдвинуть встречный аргумент: если бы темная ДНК была столь распространенным явлением, то ученые наверняка наткнулись бы на нее ранее. Быть может, песчанки и птицы – это просто самые экстремальные примеры, а у других организмов ее не так уж и много или даже нет вовсе. Если это так, то возникает вопрос: чем же отличаются песчанки и птицы от остальных существ? Ответ на него поможет понять, как темная ДНК формируется. Важным может оказаться тот факт, что в обеих группах животных наблюдается значительная вариация по числу хромосом – у разных видов песчанок, к примеру, их от 22 до 68 штук на клетку. Это предполагает некоторую склонность хромосом к дроблению с течением эволюции. Обычно хромосомы распадаются и рекомбинируют в процессе формирования половых клеток, и в это время может происходить так называемая ГЦ-смещенная генная конверсия – в результате мутаций в определенных участках ДНК гуанина и цитозина накапливается больше, чем аденина и тимина. Может, так и возникает темная ДНК у видов с ломкими хромосомами?

Еще более интересный вопрос, как темная ДНК влияет на эволюцию. В традиционных представлениях эволюция складывается из двух этапов: сначала происходят случайные мутации, затем идет их естественный отбор. Останется та или иная мутация в популяции или элиминируется отбором, зависит от того, дает ли она организмам какие-либо преимущества. Естественный отбор выступает в качестве единственной движущей силы, определяющей направление эволюции организмов. Но темная ДНК малость нарушает эту стройную картину. Сильно мутирующие гены в «мутационных горячих точках» предоставляют отбору больше пространства для работы, и определяемые ими черты эволюционируют быстрее. Иными словами, темная ДНК как бы оттягивает на себя внимание эволюции и задает ей направление, а движущей силой становятся мутации.

Скорость мутаций в темной ДНК может быть настолько огромной, что отбор не успевает устранять вредоносные варианты, предполагают ученые. Конечно, определенную роль он продолжает играть, иначе безудержные мутации превратили бы эти гены в ошметки нонсенса, а без минимального их функционирования вид попросту не выжил бы. В какой-то момент такие сверхмутантские гены могут даже стать источником новых адаптаций – например, если вид окажется в непривычных экологических условиях. У отбора тогда есть все шансы перехватить инициативу – отбор определенно не простачок.

Что касается дневных песчанок, то тут, по правде говоря, сложно сказать, извлекают ли они какую-то выгоду из своей темной ДНК. Возможно, она подарила им адаптации, которые не могли проявиться ранее, в других экологических обстоятельствах. Благодаря этим адаптациям песчанки сегодня способны выживать на низкокалорийной диете и процветать в жестких пустынных условиях. С другой стороны, при смене диеты на более питательную у них развивается диабет, а затем приходит смерть. Это может говорить о том, что жить они могут только в пустыне. Темная ДНК освободила песчанок из плена вымирания, но заточила их в темницу специализации.

Текст: Виктор Ковылин. По материалам: New Scientist, The Conversation

Источник: batrachospermum.ru

Комментарии: