Учёные из Йельской школы общественного здравоохранения обнаружили эволюционный ритм экспрессии генов, показав, что изменения происходят с поразительно разной скоростью.
В исследовании, опубликованном в журнале «Molecular Biology and Evolution», доктор Джеффри Таунсенд, доктор философии, старший автор исследования, профессор биостатистики и профессор экологии и эволюционной биологии в Йельской школе общественного здравоохранения, сказал: «Мы обнаружили, что паттерны экспрессии некоторых генов остаются практически неизменными на протяжении сотен миллионов лет, в то время как другие адаптируются быстро, эволюционируя свою экспрессию стремительно».
Экспрессия генов — процесс, при котором ДНК транскрибируется в РНК, а затем транслируется в белки — играет центральную роль в развитии организмов и их реакции на окружающую среду. Эволюционные сдвиги в последовательности ДНК были задокументированы, но количественно оценить изменения в экспрессии генов за длительные периоды времени было сложнее.
Чтобы решить эту задачу, Таунсенд возглавил группу исследователей, которые изучили более 3 900 генов у девяти видов грибов с сопоставимыми стадиями биологического развития.
Команда использовала разнообразные грибы для анализа, поскольку их легко выращивать в общей среде. Тщательное культивирование видов в идентичных условиях позволило учёным измерить только генетические, а не экологические различия.
Ведущий автор исследования Йен-Вен Ван, доктор философии, постдокторский исследователь в лаборатории Таунсенда, применил сложные статистические модели, чтобы определить, как часто экспрессия генов удваивалась или сокращалась вдвое за миллионы лет эволюции. Для большинства генов этот период составил от 400 до 900 миллионов лет. Но некоторые гены, особенно те, которые участвуют в ранней стадии прорастания спор, эволюционировали гораздо быстрее — всего за 6,9 миллиона лет.
«Эта ранняя стадия прорастания имеет экологическое значение», — пояснил Ван. «Грибы должны быстро адаптироваться, чтобы использовать различные способы колонизации среды и быстрого получения питательных веществ. Их гены раннего прорастания находятся под сильным давлением изменений».
Анализируя функции генов в биологических путях, исследователи обнаружили, что эволюция действует быстрее на гены, участвующие в гибких, адаптивных задачах, таких как углеродный метаболизм, чем на устойчивые процессы, такие как мейоз, ключевой аспект полового размножения.
«Эти результаты показывают, как роль гена в развитии влияет на скорость, с которой эволюционирует его экспрессия», — сказал Таунсенд. «Если ген является частью древнего, важного, строго регулируемого процесса, такого как мейоз, он не может адаптироваться к изменениям. Но если он находится в метаболическом пути, который реагирует на сдвиги в окружающей среде, появляется больше возможностей для эволюционных экспериментов».
Исследование создаёт мощную новую основу для изучения эволюции генов.
«Знание того, какие гены быстро или медленно эволюционируют по своей экспрессии, позволяет нам точно нацеливаться на гены, которые являются оптимальными мишенями для функциональной характеристики и применения практически во всех областях наук о жизни», — сказал Таунсенд, добавив, что это может быть полезно в биотехнологических приложениях, начиная от сельского хозяйства и заканчивая медициной.
Данные и методологический подход находятся в открытом доступе. Исследователи надеются, что другие учёные будут вдохновлены на расширение наших знаний об экспрессии генов в других ключевых областях.
«В конечном счёте, — сказал Таунсенд, — мы хотим понять, как хореография экспрессии генов — её время, местоположение и интенсивность — эволюционировала, чтобы создать огромное разнообразие жизни, которое мы видим сегодня».
Предоставлено Йельским университетом.