Как эволюционирует экспрессия генов: от "замороженных" паттернов до быстрой адаптации
Исследователи из Йельской школы общественного здравоохранения (YSPH) обнаружили, что скорость эволюции экспрессии генов у разных генов резко различается.
В исследовании, опубликованном в Molecular Biology and Evolution, старший автор доктор Джеффри Таунсенд отметил: «Мы обнаружили, что паттерны экспрессии одних генов остаются практически «замороженными» на протяжении сотен миллионов лет, в то время как другие быстро адаптируются, стремительно эволюционируя».
«Знание этих скоростей эволюции показывает нам, какие генетические функции являются неизменным сердцебиением жизни, а какие — импровизациями эволюции».
Молекулярные часы для экспрессии генов
Эволюционные изменения в последовательности ДНК хорошо документированы, но количественно оценить изменения в экспрессии генов (процесс транскрипции ДНК в РНК и трансляции в белки) на длительных временных промежутках было сложнее.
Чтобы решить эту задачу, команда изучила более 3900 генов у девяти видов грибов, имеющих сопоставимые стадии биологического развития. Использование грибов, выращенных в идентичных условиях, позволило измерить только генетические, а не средовые различия.
Ведущий автор Ень-Вэнь Ван применил сложные статистические модели, чтобы определить, как часто экспрессия генов удваивалась или сокращалась вдвое за миллионы лет эволюции.
- Для большинства генов это время составило от 400 до 900 миллионов лет.
- Однако некоторые гены — особенно те, что вовлечены в раннее прорастание спор — эволюционировали намного быстрее, всего за 6,9 миллиона лет.
«Эта ранняя стадия прорастания экологически crucial, — объяснил Ван. — Грибы должны быстро адаптироваться, чтобы использовать различные способы колонизации сред и быстрого получения питательных веществ. Их гены раннего прорастания находятся под сильным давлением, требующим изменений».
Эволюция действует с разной скоростью
Анализ функций генов в биологических путях показал, что эволюция, как правило, быстрее действует на гены, участвующие в гибких, ответных задачах (например, метаболизм углерода), чем на процессы, сохраняющиеся на протяжении эпох, такие как мейоз (ключевой аспект полового размножения).
«Эти находки показывают, как роль гена в развитии влияет на темпы эволюции его экспрессии, — сказал Таунсенд. — Если ген является частью древнего, важного, жёстко регулируемого процесса, как мейоз, он не может допускать изменений. Но если он находится в метаболическом пути, который реагирует на сдвиги в окружающей среде, появляется больше простора для эволюционных экспериментов».
Новый инструмент для наук о жизни
Исследование устанавливает новую мощную основу для изучения эволюции генов.
«Знание того, какие гены быстро или медленно эволюционируют в своей экспрессии, позволяет нам точно нацеливаться на гены, которые являются оптимальными мишенями для функциональной характеристики и применения практически во всех областях наук о жизни», — отметил Таунсенд.
Это может быть полезно в биотехнологических приложениях — от сельского хозяйства до медицины. Данные и методологический подход находятся в открытом доступе.
«В конечном счете, — заключил Таунсенд, — мы хотим понять, как хореография экспрессии генов — её время, место и интенсивность — эволюционировала, чтобы создать то огромное разнообразие жизни, которое мы видим сегодня».