Два вида червей сохранили удивительно похожие схемы переключения генов, несмотря на то, что они отделились от общего предка 20 миллионов лет назад, как показало новое исследование.
Основные выводы
Результаты [представлены в журнале Science](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu8249).
«Было просто удивительно, учитывая такую эволюционную дистанцию, что мы наблюдаем такую согласованность в схемах экспрессии генов», — сказал доктор Роберт Уотерстон, профессор геномных наук в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сиэтле и один из старших авторов статьи. «Я был удивлён, насколько всё совпало».
Экспрессия генов
Узоры экспрессии генов, как правило, оставались неизменными — или, как говорят эволюционные биологи, сохранялись, — когда изменение могло повлиять на многие типы клеток, сказал Уотерстон. «Если ген широко экспрессируется во многих типах клеток организма, может быть трудно изменить экспрессию, — сказал он. — Но если экспрессия гена ограничена одним или несколькими типами клеток, возможно, это удастся».
Когда экспрессия генов всё же различалась у двух червей, изменения чаще происходили в специализированных типах клеток. Например, паттерны экспрессии в клетках, участвующих в основных функциях, таких как мышцы или кишечник, как правило, сохранялись, в то время как паттерны экспрессии в более специализированных клетках, участвующих в восприятии окружающей среды и реагировании на неё, чаще расходились.
«Гены, связанные с функциями нейронов, например, по-видимому, расходятся быстрее — возможно, потому, что изменения были необходимы для адаптации к новым условиям, — но пока это лишь предположение», — сказал Кристофер Р. Л. Лардж, научный сотрудник кафедры генетики Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании и ведущий автор статьи.
Исследование
В исследовании учёные сравнили схемы экспрессии генов у двух обитающих в почве круглых червей — Caenorhabditis elegans и Caenorhabditis briggsae. Оба вида идеально подходят для изучения развития. Они маленькие, около миллиметра в длину; простые, состоят примерно из 550 клеток в полностью развитом состоянии; и прозрачные. Эти характеристики позволяют учёным наблюдать за делением и развитием их клеток в реальном времени. Важно, что эти черви имеют много общего с более сложными организмами, включая человека, примерно 20 000 генов.
Все клетки у обоих червей были идентифицированы и нанесены на карту. Несмотря на 20 миллионов лет эволюции, два червя сохраняют почти идентичные планы строения тела и типы клеток с почти полным соответствием, что делает их идеальными объектами для сравнения.
Цель исследования
Целью исследования было сравнить экспрессию генов в каждом типе клеток двух червей, чтобы определить, какие изменения произошли с момента их отделения от общего предка. Для этого исследователи измерили уровни матричной РНК в каждой клетке на различных стадиях эмбрионального развития с помощью метода, называемого секвенированием РНК отдельных клеток. Матричная РНК (мРНК) несёт инструкции по созданию белков от активных генов к клеточному механизму производства белков. Высокий уровень мРНК от гена указывает на то, что он активен. Низкий уровень означает, что он неактивен.
С помощью метода секвенирования РНК отдельных клеток исследователи отследили изменения в отдельных клетках во время эмбрионального развития червей, начиная с того момента, когда эмбрион представлял собой шар из 28 в основном недифференцированных клеток, и до того, как большинство типов клеток развились в почти окончательную форму, — процесс, который занимает около 12 часов.
«Мы изучаем эволюцию развития с 1970-х годов, — сказал доктор Джунъён Ким, профессор биологии и директор Института геномики Пенна, один из старших авторов исследования. — Но это первый раз, когда мы смогли сравнить развитие в каждой отдельной клетке двух разных организмов».
Ким сказал, что обнаружение сохранения некоторой экспрессии генов не стало неожиданностью из-за сходства тел червей. Но было удивительно, что изменения, когда они происходили, не влияли на план строения тела.
Исследование описывает, где и когда паттерны экспрессии генов различаются между видами, но пока не объясняет почему, сказал доктор Джон Айзек Мюррей, доцент кафедры генетики в Медицинской школе Перельмана и третий старший автор исследования.
«Сложно сказать, были ли какие-либо из наблюдаемых нами различий результатом эволюционной адаптации или просто результатом генетического дрейфа, когда изменения происходят случайным образом, — сказал он. — Но такой подход позволит нам исследовать многие вопросы об эволюции, на которые пока нет ответов».
Предоставлено [Медицинской школой Вашингтонского университета](https://phys.org/partners/university-of-washington-school-of-medicine/)