Минус среда, паттерны всё равно возникают: Вычислительное исследование отслеживает регуляторные механизмы клеток E. coli

Среда — не единственный фактор, формирующий регуляторные паттерны, и, возможно, даже не основной, согласно новому исследованию Университета Райса, изучающему связь белковых сетей клеток с геномом бактерии.

Лаборатория компьютерного учёного Луэя Нахлеха из Университета Райса сообщила в Proceedings of the National Academy of Sciences, что при исключении факторов среды из эволюционной модели мутации и генетический дрейф могут порождать наблюдаемые паттерны. Исследователи изучали изменения в регуляторных сетях, определяющих характеристики организма.

Нахлех и ведущий автор Трой Рутс, аспирант Райса, заявили, что их работа — важный шаг к пониманию cis-регуляторных сетей (CRNs), играющих доминирующую роль в системах обработки информации клеток. Cis-регуляторы (от латинского «на той же стороне») — это участки ДНК (или РНК), регулирующие экспрессию генов, расположенных на той же молекуле ДНК.

Исследователи сгенерировали 1000 компьютерных моделей случайных регуляторных сетей Escherichia coli и наблюдали за их эволюцией на протяжении миллионов поколений. При этом они не закладывали в модели факторы среды, которые могли бы вызвать изменения через естественный отбор. Их результаты подтвердили другие исследования, предполагающие, что сети могут эволюционировать спонтанно через мутации, рекомбинацию, дупликацию генов и генетический дрейф.

Их подход «нейтральной эволюции» обошёл метод других исследователей, которые, по словам Нахлеха, пытались понять клеточные белковые сети, изучая мотивы. Эти мотивы — короткие последовательности (подграфы в сети), появляющиеся чаще, чем можно было бы ожидать случайно. «Биологические сети — сложные системы, и научное сообщество отреагировало разработкой множества математических и сложных вычислительных инструментов для их анализа», — сказал он. Те исследователи утверждали, что возникновение и сохранение регуляторных мотивов в значительной степени обусловлены адаптацией к среде; исследователи из Райса утверждают, что это не обязательно так.

Нахлех сказал, что они с Рутсом решили связать современные знания о геноме (полной коллекции ДНК организма) с эволюцией таких сетей.

«Вместо того чтобы прыгать прямо к сети, которую мы плохо понимаем, мы решили обратиться к нашим обширным знаниям о геноме и связать их с этими сетями», — сказал он. «В этой статье мы сосредоточились на вопросе: насколько то, что мы видим в сети, является результатом нейтральной эволюции, где нет отбора? Сколько из того, что мы наблюдаем, является, так сказать, побочным эффектом случайных мутаций и генетического дрейфа?»

Обилие геномных данных по E. coli позволило исследователям из Райса построить сложную модель, связывающую cis-регуляторные сети с соответствующей ДНК. «Если в прокариотическом мире есть хорошо изученная модель с данными, то это E. coli», — сказал Нахлех.

Их вывод, простыми словами из статьи, заключается в том, что «нейтральная эволюция, действующая на свойства генома», действительно может объяснить регуляторные паттерны у бактерий.

«У статьи две стороны, — сказал Нахлех. — Первая: многие из этих мотивов не имеют адаптивного происхождения. Они возникают потому, что мутация — случайный процесс.

Вторая и, как я считаю, более важная часть истории в том, что впервые была количественно оценена степень нейтральности в сети. … Наша модель никогда не сможет сказать: "Я могу исключить адаптацию здесь". Мы говорим, что вам не нужно привлекать адаптацию, чтобы объяснить то, что вы видите.

Теперь мы можем начать понимать, как изменения на уровне генома приводят к формированию этих сетей, то, что некоторые исследователи называют "принципами дизайна" этих сетей, — сказал Нахлех. — Я не думаю, что здесь что-то "проектируется", так сказать. Паттерны возникают в ответ на мутации; генетический дрейф и отбор затем влияют на частоту этих паттернов. Мы показали, что генетический дрейф может объяснить большую часть этих частот».