Более высокая скорость эволюции связана с уменьшением геномов
Геномы в живой природе демонстрируют огромное разнообразие размеров. Например, геном растения Paris japonica содержит более 150 миллиардов пар оснований, в то время как у прокариот (бактерий) геномы в среднем меньше 5 миллионов пар оснований. У некоторых прокариот геномы составляют менее 500 000 пар оснований. Причины такого уменьшения геномов до конца не ясны.
В новом международном исследовании, опубликованном в Current Biology, учёные обнаружили связь между скоростью мутаций (изменений в последовательности ДНК) и размером генома. Они выяснили, что прокариоты с более высокой скоростью мутаций теряют гены быстрее и, следовательно, имеют меньшие геномы.
Неожиданный результат
«Это был действительно неожиданный результат, — сказал профессор Том Бургиньон, соавтор исследования. — В настоящее время общепринятой является идея, что размер популяции — главный фактор, определяющий размер генома у прокариот, особенно у эндосимбионтов. Наше исследование ставит эту точку зрения под сомнение».
Эндосимбионты — организмы, живущие внутри других организмов, — обычно имеют гораздо меньшие геномы, чем их свободноживущие аналоги.
Мутации vs. размер популяции
Учёные собрали данные геномов разнообразных прокариот, включая два эндосимбиотических и семь свободноживущих линий. Для каждой линии они построили эволюционное дерево и с помощью моделирования реконструировали, как происходила потеря генов.
К удивлению исследователей, чёткой связи между предполагаемым размером популяции и скоростью потери генов обнаружено не было. Вместо этого для семи из девяти изученных линий была выявлена связь между скоростью мутаций и потерей генов: более высокие скорости мутаций были связаны с более быстрой потерей генов и меньшими геномами.
«Существует теоретическое предсказание, объясняющее это наблюдение: если скорость мутации превышает давление отбора, поддерживающее ген, этот ген будет потерян из генома», — пояснил доктор Юкихиро Киндзё, соавтор работы.
Механизм ускорения
Исследователи также нашли подсказки о том, как происходит потеря генов. Штаммы с меньшими геномами потеряли гены, участвующие в репарации (починке) ДНК.
«Гены репарации ДНК исправляют повреждённую ДНК, поэтому, когда они теряются, скорость мутаций у штамма может быстро возрасти. Большинство мутаций вредны, поэтому это может быстро инактивировать другие гены и привести к их потере. Если некоторые из этих инактивированных генов также участвуют в репарации ДНК, это может ещё больше ускорить скорость мутаций и потерю генов», — объяснил профессор Гаку Токудо.
Эволюционная загадка
Хотя механизм потери генов проясняется, вопрос о том, есть ли эволюционные причины, по которым прокариоты увеличивают скорость мутаций для уменьшения генома, остаётся открытым.
«Повышенная скорость мутаций может давать адаптивное преимущество, например, удаление ненужных генов. Но мы всё ещё не можем исключить возможность, что увеличение скорости мутаций неадаптивно и происходит случайно», — отметил доктор Киндзё.
Новый взгляд на эволюцию геномов
Полученные результаты проливают новый свет на эволюцию маленьких геномов и заставляют пересмотреть доминирующую идею о том, что уменьшение генома определяется малым размером популяции.
«В отличие от размера популяции, наши результаты показывают, что скорость мутаций может стимулировать уменьшение генома как у свободноживущих, так и у эндосимбиотических прокариот. Это может быть первым шагом к всестороннему пониманию того, что движет изменениями размера генома у всех прокариот», — заключил профессор Бургиньон.