Из крошечных семенников мух — новое понимание того, как возникают гены

В битве полов у самцов, по крайней мере с генетической точки зрения, есть инновационное преимущество. Учёные обнаруживают, что семенники — это не просто фабрики по производству спермы; эти органы также служат «горячими точками» для возникновения новых генов — сырого материала для эволюции видов.

Команда из Университета Рокфеллера, используя плодовых мушек, получила ключевое представление о том, как природные попытки инноваций проявляются в процессе развития сперматозоидов. В исследовании, описанном 16 августа в eLife, они картировали на уровне отдельных клеток наличие мутаций в ДНК и активность новых генов, возникающих в результате таких изменений.

«Наша работа предлагает беспрецедентный взгляд на процесс, который позволяет живым существам адаптироваться и эволюционировать и который в конечном итоге способствует разнообразию жизни на Земле», — говорит руководитель исследования, доцент Ли Чжао.

Высокие ставки

В последние годы исследования животных — от мух до человека — выявили ряд молодых генов, возникших в семенниках. Эти и другие открытия позволяют предположить, что семенники являются одним из самых продуктивных мест в организме — мужском или женском — для генетических инноваций.

Однако это массовое производство генетических новинок сопряжено со значительными рисками. Например, у человека сперматозоиды отца в процессе нормального развития приобретают в два-три раза больше новых мутаций, чем яйцеклетки матери, что делает сперму насыщенной генетическими ошибками. В некоторых случаях такие ошибки могут навредить потомству или даже сорвать саму возможность отцовства.

Другими словами, самец рискует потерять единственное, что имеет значение в игре эволюции: возможность передать свой генофонд следующему поколению.

Но каковы бы ни были потенциальные недостатки генетических экспериментов для отдельных самцов и их потомства, динамика размножения тем не менее поощряет их. Потенциальные отцы сталкиваются с сильным давлением, чтобы привлечь самок и отразить конкурентов. Любое преимущество, например, более яркое оперение или более выносливые сперматозоиды, может иметь решающее значение.

На молекулярном уровне это давление приводит к изобилию новых генов в семенниках. Учёные полагают, что если эти новички способствуют способности самцов производить здоровое потомство, они быстро закрепляются в геноме и могут даже начать функционировать в других частях тела.

Поиск клетка за клеткой

Однако при более детальном рассмотрении картина становится размытой. Учёные ещё не поняли динамику генетических инноваций в клетках-предшественниках, из которых развивается сперма.

Чтобы узнать больше, Чжао и исследователи из её лаборатории пометили отдельные клетки из семенников мух, а затем идентифицировали и расшифровали содержащиеся в каждой последовательности РНК. Этот подход позволил им увидеть, как активность конкретных генов меняется на всех стадиях развития. Внутри последовательностей РНК, выделенных из стволовых клеток и пяти промежуточных типов клеток, исследователи изучили инновации с двух точек зрения: мутаций и генов.

Они обнаружили, что мутации, известные как замены (когда одна «буква» кода ДНК меняется на другую), наиболее многочисленны на ранних стадиях развития спермы, а затем их количество уменьшается. Аппарат репарации ДНК сперматозоидов следует аналогичной схеме — он наиболее активен вначале, а затем его активность снижается. По словам Чжао, это логично, поскольку этот механизм отвечает за исправление подобных ошибок.

Создание с нуля

Внутри последовательностей РНК команда Чжао искала особый тип молодых генов — тех, что возникают с нуля, а не путём дупликации существующего гена. Для Чжао эти так называемые de novo гены, происходящие из последовательностей, которые изначально не кодировали белок, являются наиболее интересными новыми генами с эволюционной точки зрения. Её команда обнаружила не менее 184 генов de novo, взятых из набора, идентифицированного ими ранее.

Изучив эти гены de novo, учёные выявили сложные закономерности: определённые гены проявлялись в основном в определённых типах клеток, но не в других. Около 15% этих генов появлялись на ранних стадиях, включая стадию стволовой клетки. По словам Чжао, это удивительно, поскольку ранее учёные считали, что новые гены редко появляются в начале развития, так как эта фаза строго контролируется. Однако наиболее активный период для генов de novo пришёлся на середину процесса, на так называемой сперматоцитной фазе развития сперматозоидов.

Теперь учёные заинтересованы в понимании того, какую цель, если таковая имеется, выполняют гены de novo, когда они впервые возникают. И хотя возможно, что некоторые из них активируются случайным образом, не внося особого вклада, Чжао подозревает, что во многих случаях эти новые гены играют роль в созревании сперматозоидов.

«То, что именно делают эти гены de novo для продвижения развития, — это захватывающий открытый вопрос», — говорит Чжао.