Возникновение генов с нуля оказалось обычным явлением

Биологи выяснили, откуда чаще всего берутся новые гены.

Биологи выяснили, откуда чаще всего берутся новые гены.
Иллюстрация Pixabay

Мусорная ДНК оказалась важным источником эволюционных изменений.

Мусорная ДНК оказалась важным источником эволюционных изменений.
Иллюстрация CC0 Public Domain.

Биологи выяснили, откуда чаще всего берутся новые гены.
Мусорная ДНК оказалась важным источником эволюционных изменений.

Откуда в геноме живого существа берутся гены, которых нет ни у каких других видов? Новое исследование показывает, что они чаще всего возникают практически "из ничего", точнее из мусорной ДНК.

Все живые организмы в тесном родстве друг с другом. 30% человеческих генов – общие с кишечной палочкой, а 50% – с бананом. К слову, это одно из многочисленных доказательств того факта, что всё живое произошло от общего предка.

Однако у каждого вида есть небольшой процент генов, уникальных только для него или его ближайших родственников. В геномах других организмов нет не только точных копий таких участков ДНК, но и их очевидных аналогов. Специалисты называют их генами-сиротами.

Откуда берутся такие новые в эволюционной истории гены? Есть как минимум два возможных пути. Во-первых, постепенное накопление различий между родственными генами (дивергенция) может зайти так далеко, что биологи просто не опознают "двоюродных братьев". Считается, что именно этот сценарий – самый распространённый для возникновения генов-сирот.

Есть и другой путь. Напомним, что ген – это инструкция по синтезу РНК. РНК может служить прообразом для синтеза белка (основной "рабочей лошадки" в клетке) или выполнять другие функции.

Но в каждом геноме есть масса мусорной, или некодирующей, ДНК. Это "бывшие гены", которые некогда напрочь вышли из строя. Содержащиеся в них инструкции по синтезу РНК утратили работоспособность из-за ошибок, внесённых мутациями.

Тем не менее мусорная ДНК продолжает мутировать. Более того, эти мутации не "вымываются" естественным отбором, так как некодирующая ДНК не влияет на жизнь клетки и организма в целом (впрочем, последний тезис в последнее время подвергается критике). И рано или поздно в результате таких случайных изменений из этого "мусора" может возникнуть новый работоспособный ген. В этом случае специалисты говорят, что ген возник de novo.

Считается, что это экзотический сценарий, который редко реализуется. Но новое исследование, опубликованное в журнале eLife, свидетельствует о другом.

Мусорная ДНК оказалась важным источником эволюционных изменений.

Авторы разработали новую методику, позволяющую определить, имеет ли ген-сирота работоспособные аналоги в геномах других видов, даже если "кузены" совершенно не похожи друг на друга. Опираясь на этот метод, учёные искали "потерянных родственников" для генов дрожжей, мух и человека.

Результаты получились обескураживающими.

"К нашему удивлению, самое большее около трети генов-сирот являются результатом дивергенции. Это, в свою очередь, говорит о том, что большинство уникальных генов в тех видах, которые мы исследовали, являются результатом других процессов, в том числе появления de novo. Следовательно, это происходит гораздо чаще, чем первоначально думали учёные", – констатирует соавтор статьи Ифе МакЛайсет (Aoife McLysaght) из Тринити-колледжа в Дублине.

Биологи не остановились на этом и задали следующий вопрос: велико ли влияние новых генов на жизнь организма?

В качестве подопытных организмов учёные выбрали дрожжи. Они имеют короткие геномы, быстро размножаются и в то же время относятся к эукариотам, в отличие от, скажем, бактерий.

Сначала исследователи выводили из строя гены-сироты, некогда возникшие у дрожжей de novo. Обычно это не снижало жизнеспособности этих организмов ни "в пробирке", ни в естественных популяциях. Другими словами, большинство появившихся de novo генов не являются жизненно необходимыми (во всяком случае, у дрожжей). И этому есть объяснение: в конце концов, существовал же непосредственный предок дрожжей и без них.

На втором этапе биологи пошли другим путём. Они, наоборот, искусственно усилили работу (экспрессию) "новичков". И дрожжи тут же активизировали рост. При этом специалисты проверили, что эта реакция не вызвана экспрессией ещё каких-то генов, не являющихся de novo.

Другими словами, гены, возникшие "из мусора", могут быть очень полезны и давать своим носителям важные эволюционные преимущества.

Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о вирусе, геном которого почти полностью состоит из генов-сирот.