Эволюция Dark-fly: как плодовые мушки адаптировались к вечной темноте

11 ноября 1954 года Сюити Мори выключил свет для небольшой группы плодовых мушек. Спустя более 60 лет потомки тех мушек адаптировались к жизни без света. Эта разновидность, известная как Dark-fly, в условиях постоянной темноты превосходит в конкуренции своих обычных сородичей, согласно исследованию, опубликованному в февральском выпуске журнала G3: Genes|Genomes|Genetics. Это различие позволило учёным «переиграть» эволюцию Dark-fly и определить участки генома, способствующие её успеху в темноте.

«Мы надеемся, что понимание генетики адаптаций Dark-fly прольёт свет на то, как гены отбираются в ходе быстрой эволюции», — говорит руководитель исследования Наоюки Фусе из Киотского университета.

Проект Dark-fly — самый продолжительный пример экспериментального эволюционного исследования, в котором учёные наблюдают за популяцией на протяжении многих поколений. Это также первый анализ эволюции генома у многоклеточного организма, адаптированного к определённым лабораторным условиям.

Долгий эксперимент в темноте

Изначально проект был начат Мори для изучения того, как изменения среды влияют на признаки плодовой мушки Drosophila melanogaster. Мушек содержат в пробирках внутри большого горшка, выкрашенного изнутри чёрной краской и накрытого светонепроницаемой тканью. При смене пробирок и корма исследователи работают в полной темноте, используя для проверки лишь слабый красный свет, который мушки не видят.

После выхода Мори на пенсию ценные линии мушек были переданы его коллегам в Киотский университет, где их поддерживают по сей день. Популяция провела в темноте уже более 1500 поколений. В пересчёте на человека это равносильно содержанию поколений наших предков в темноте на протяжении 30 000 лет.

Особенности Dark-fly

Внешне Dark-fly почти неотличима от обычной (дикого типа) D. melanogaster, но имеет ряд отличий:

  • Повышенная двигательная активность при внезапном воздействии света.
  • Большая чувствительность к некоторым запахам.
  • Более длинные щетинки на голове (сенсорные органы, аналог кошачьих усов).
  • Более высокая репродуктивная способность в условиях постоянной темноты по сравнению с циклами света и темноты.

Конкурентное преимущество и поиск генов

Эксперимент по совместному содержанию и случайному скрещиванию двух типов мушек показал, что Dark-fly имеет конкурентное преимущество в размножении перед диким типом в темноте. Это может быть связано с различиями в феромональной сигнализации или изменёнными циркадными ритмами спаривания и сна.

Чтобы определить гены, ответственные за адаптацию к темноте, команда провела ещё один эксперимент. Dark-fly и обычные мушки содержались в смешанных колониях, свободно скрещиваясь на протяжении 49 поколений — как в постоянной темноте, так и в нормальном световом цикле (контроль). Гены, дающие преимущество в темноте, должны были становиться более распространёнными в колонии, жившей в темноте.

Сравнение геномов в начале и конце эксперимента выявило варианты из генома Dark-fly, которые стали чаще встречаться только в темноте. Они расположены в 28 регионах генома. Исследователи сузили список кандидатов до 84 генов.

Среди них, вероятно, находятся гены, связанные с адаптацией к темноте, включая гены:

Будущие планы

«Вскоре у нас появится возможность провести эксперимент моей мечты: с помощью технологии редактирования генома вносить определённые мутации в дикий тип, чтобы попытаться воспроизвести признаки Dark-fly. Это даст нам точный молекулярный профиль этого замечательного примера эволюции в лаборатории», — говорит Наоюки Фусе.