Неизменный код жизни: нечто ждало своего возвращения в наш мир 20 миллионов лет

Недавно проведенное исследование выявило, что два вида круглых червей, несмотря на 20 миллионов лет эволюционного расхождения, сохранили поразительно схожие механизмы активации и деактивации своих генов.

Результаты этой работы были представлены в одном из номеров журнала Science, вышедшем 19 июня.

Один из руководителей исследования, профессор геномных наук из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, отметил, что его поразила степень согласованности в генетических процессах у этих организмов, учитывая столь длительный период их эволюционного разделения.

Он пояснил, что стабильность в генной активности обычно сохраняется, когда изменения могут затронуть множество типов клеток. По его словам, если ген активно работает сразу в нескольких типах клеток, его модификация представляет сложную задачу, тогда как гены, функционирующие лишь в отдельных клетках, легче поддаются изменениям.

Когда же у двух видов червей наблюдались различия в генной активности, они чаще всего касались специализированных клеток. Например, гены, отвечающие за базовые функции, такие как работа мышц или пищеварительной системы, оставались неизменными, в то время как гены, связанные с восприятием окружающей среды и реакцией на нее, демонстрировали больше отличий.

Ведущий автор исследования, научный сотрудник кафедры генетики Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете, предположил, что более быстрое эволюционное расхождение генов, связанных с нейронной деятельностью, может быть связано с необходимостью адаптации к новым условиям, хотя это пока остается лишь гипотезой.

Для исследования ученые выбрали два вида почвенных круглых червей — Caenorhabditis elegans и Caenorhabditis briggsae. Эти организмы идеально подходят для изучения развития благодаря своим небольшим размерам (около миллиметра в длину), простоте строения (примерно 550 клеток у взрослой особи), прозрачности и наличию около 20 000 общих генов с более сложными организмами, включая человека. Оба вида червей имеют практически идентичное строение тела и типы клеток, что делает их удобными объектами для сравнительного анализа, несмотря на миллионы лет эволюции.

Целью работы было сравнить, как гены активируются в каждом типе клеток у этих двух видов, чтобы понять, какие изменения произошли с момента их расхождения от общего предка. Для этого исследователи использовали метод секвенирования РНК отдельных клеток, который позволил измерить уровень матричной РНК (мРНК) в каждой клетке на разных стадиях эмбрионального развития. Напомним, что мРНК переносит инструкции от активных генов к механизмам синтеза белков, и ее высокий уровень указывает на активность гена, а низкий — на его неактивность.

С помощью этого метода ученые проследили развитие клеток червей от ранней стадии эмбриона, представляющего собой шар из 28 недифференцированных клеток, до момента, когда большинство клеток приобретают почти окончательную форму. Этот процесс занимает около 12 часов.

Один из ведущих авторов исследования, профессор биологии и директор Института границ генома Пенсильванского университета, подчеркнул, что впервые удалось сравнить развитие каждой отдельной клетки двух разных организмов, хотя изучение эволюции развития ведется уже с 1970-х годов. Он добавил, что схожесть в генной активности не стала неожиданностью, учитывая анатомическое сходство червей, но удивило то, что различия в генной активности не повлияли на их строение тела.

Еще один старший автор исследования, доцент кафедры генетики Медицинской школы Перельмана, отметил, что работа описывает, где и когда происходят различия в генной активности у двух видов, но пока не дает ответа на вопрос о причинах этих изменений.

Он пояснил, что пока трудно определить, вызваны ли наблюдаемые различия эволюционной адаптацией или являются результатом случайных изменений, известных как генетический дрейф. Однако, по его мнению, этот подход открывает новые возможности для изучения множества вопросов об эволюции, которые пока остаются без ответа.

Эта работа подчеркивает, насколько сложны и многогранны процессы эволюции, и демонстрирует, как даже небольшие изменения в генной активности могут играть ключевую роль в адаптации организмов к окружающей среде.

Уточнения

Ген — в классической генетике — наследственный фактор, который несёт информацию об определённом признаке или функции организма, и который является структурной и функциональной единицей наследственности.