Как дрожжи удвоили свой геном — скрещиванием между видами

Обычные пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) используются для производства хлеба, вина и пива и являются лабораторной рабочей лошадкой для значительной части исследований в молекулярной и клеточной биологии. Их геном был первым (после бактерий) полностью секвенированным геномом живого организма в 1996 году. Однако тогда учёные обнаружили, что у дрожжей, по-видимому, есть две очень разные версии многих генов. Как это могло произойти?

Исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне (Испания), опубликовавшие статью в открытом журнале PLOS Biology 7 августа, предложили новую теорию для объяснения этого феномена. Ответ включает в себя древнее событие скрещивания между двумя разными видами и может иметь значение для понимания наших собственных геномов.

Ранее учёные предполагали, что около 100 миллионов лет назад весь геном дрожжей каким-то образом удвоился, и хотя некоторые гены были впоследствии утеряны, дрожжи сохранили две копии многих генов и использовали их для приобретения новых функций, помогающих выживанию.

Такие «удвоения всего генома» оказались широко распространены. Например, известно, что они были важны на ранних этапах эволюции позвоночных (наш собственный геном несёт следы двух отдельных древних событий удвоения) и являются обычным явлением у растений, особенно культурных, таких как пшеница.

Учёные CRG Марина Марсет-Убен и Тони Габальдон использовали передовые вычислительные методы, чтобы изучить происхождение удвоения генома у дрожжей. Неожиданно они показали, что появление дублированных генов было вызвано не простым удвоением всего генома, а событием скрещивания («гибридизации») между двумя разными видами. Это предложение, противоречащее наиболее широко принятой в научном сообществе теории, даёт новое представление об этом ключевом процессе в эволюции генома и происхождении видов.

«Когда мы впервые увидели результаты нашего исследования, мы подумали, что произошла какая-то ошибка», — объяснил Тони Габальдон, ведущий исследователь. — «Но как только все потенциальные проблемы были исключены, мы начали интерпретировать данные объективно, без предвзятых идей».

Работа Марсет-Убен и Габальдона показала, что для дрожжей гибридизация действительно стояла за удвоением некоторых генов. Исследователи проанализировали геномные данные с помощью вычислительного инструмента, разработанного группой Габальдона, чтобы изучить генеалогическое древо дрожжей. К их удивлению, они обнаружили, что возраст некоторых дублированных генов, по-видимому, намного больше, чем предсказывает теория события удвоения всего генома. Их данные указывали на то, что дублированные гены начали расходиться задолго до этого. Этот результат предполагал возможность гибридизации между видами.

«Это один из тех волшебных моментов в исследованиях, когда, открыв свой разум достаточно широко, можно подчиниться доказательствам в данных и отбросить то, что считалось доказанным фактом, чтобы принять совершенно новую парадигму», — добавил Габальдон.

Гипотеза гибридизации имеет серьёзные последствия для того, как мы интерпретируем происхождение и эволюцию дублированных геномов. Например, нам больше не нужно представлять, что для генерации новых функций из дублированных областей генома необходимы массивные и быстрые изменения, поскольку гибридизация с первого дня сочетает свойства двух родительских линий и открывает дверь новым экологическим и эволюционным возможностям.

Эта работа будет иметь серьёзные последствия для того, как мы интерпретируем функциональные и эволюционные последствия дублирования генома, и подчёркивает важность фундаментальных исследований для понимания геномов, эволюции и разнообразия.