Лобовые столкновения между машинериями, считывающими ДНК, ускоряют эволюцию генов

Бактерии, по-видимому, ускоряют свою эволюцию, располагая определённые гены на пути ожидаемых "пробок" в кодирующей ДНК. Некоторые гены находятся на основных траекториях столкновений движущихся молекулярных машинерий, считывающих код ДНК, как объясняют учёные Вашингтонского университета в новом выпуске Nature.

Тактики пространственной организации, которые использует их модельный организм Bacillus subtilis для эволюции и адаптации, могут имитироваться другими родственными грамположительными бактериями, включая опасные, постоянно меняющиеся патогены, такие как стафилококк, стрептококк и листерия, для усиления их вирулентности или вызывания персистентных инфекций. Исследователи полагают, что эти механизмы ускорения эволюции могут быть обнаружены и у других живых существ.

Репликация — удвоение генетического кода для создания нового набора генов — и транскрипция — копирование кода ДНК для производства белка — у бактерий не разделены во времени или пространстве. Поэтому столкновения между этими машинериями неизбежны. Репликация, быстро движущаяся вдоль цепи ДНК, может быть остановлена лобовой встречей или столкновением в одном направлении с более медленно движущейся транскрипцией.

Основное внимание лаборатории Хоуры Меррик (UW) сосредоточено на понимании механистических и физиологических аспектов конфликтов в живых клетках, включая то, почему и как эти столкновения приводят к мутациям.

Чтобы избежать нежелательных столкновений, бактерии ориентируют большинство своих генов вдоль так называемой ведущей цепи ДНК, а не отстающей. Термины относятся к направлению движения процессов кодирования на разных вилках раскручивающейся ДНК. Лобовые столкновения между репликацией и транскрипцией происходят на отстающей цепи.

Несмотря на повышенный риск столкновений, изменяющих гены, бактерия B. subtilis всё ещё ориентирует 25% всех своих генов и 6% своих необходимых генов на отстающей цепи.

Учёные наблюдали, что гены, находящиеся под наибольшим давлением естественного отбора на аминокислотные мутации (признак их адаптивной значимости), располагались на отстающей цепи. На основе анализа мутаций на ведущей и отстающей цепях исследователи обнаружили, что скорость накопления мутаций была выше в генах, ориентированных так, чтобы подвергаться лобным конфликтам репликации и транскрипции, в отличие от сонаправленных конфликтов.

Согласно исследователям, совместный анализ мутаций в геномах и экспериментальные данные указывают, что лобные конфликты с большей вероятностью, чем сонаправленные, вызывали мутации. Они также обнаружили, что более длинные гены предоставляли больше возможностей для возникновения конфликтов репликации и транскрипции. Длинные гены были более склонны к мутациям.

Исследователи отметили, что лобные столкновения репликации и транскрипции и последующие мутации могут значительно увеличить структурные вариации в белках, кодируемых затронутыми генами. Некоторые из этих случайных вариаций могут дать бактериям новые возможности для адаптации к изменениям или стрессам в их среде.

Учёные подчеркнули: «Простое переключение ориентации гена… могло бы облегчить эволюцию конкретных генов целенаправленным образом. Исследование основных мишеней для опосредованного конфликтами образования мутаций, вероятно, даст далеко идущее понимание адаптации и эволюции организмов».