Klucz do tajemnicy szybko ewoluujących genów został znaleziony w „śmieciowym DNA”

Od dawna istniejąca zagadka ewolucji polega na tym, dlaczego nowe geny – te, które wydają się powstawać znikąd – mogą szybko przejąć funkcje niezbędne do przetrwania organizmu.

Nowe badanie muszek owocowych może pomóc rozwiązać tę zagadkę. Badanie pokazuje, że niektóre nowe geny szybko stają się kluczowe, ponieważ regulują rodzaj DNA zwany heterochromatyną. Niegdyś uważana za „śmieciowe DNA”, heterochromatyna w rzeczywistości wykonuje wiele ważnych zadań, w tym zachowuje się jak ściśle strzeżone więzienie: blokuje geny „złych aktorów”, zapobiegając ich włączeniu i wyrządzeniu szkód.

Heterochromatyna jest również jednym z najszybciej zmieniających się fragmentów DNA w organizmie, więc geny, które go regulują, muszą szybko się przystosować, aby nadążyć, biolog ewolucyjny Harmit Malik z Fred Hutchinson Cancer Research Center w Seattle i jego współpracownicy donieśli o tym online 10 listopadza w eLife.

„Ta praca jest kamieniem milowym” – powiedział Manyuan Long, biolog ewolucyjny z University of Chicago, który nie brał udziału w badaniach. „To naprawdę niesamowite widzieć tak ważną rolę, jaką heterochromatyna odgrywa w ewolucji genów”.

Naukowcy udokumentowali wiele przypadków genów, które wydają się powstawać od zera i nadają organizmowi nową zdolność. Na przykład, jeden taki gen u ryb wytwarza nowe białko przeciw zamarzaniu; inny w muchach jest niezbędny do lotu.

Około dziesięć lat temu naukowcy odkryli, że nowe geny nie tylko nadają nowe funkcje; niektóre mogą być faktycznie niezbędne do przetrwania. U muszki owocowej Drosophila melanogaster aż 30 procent niezbędnych genów jest „nowych”, a niektóre pojawiły się dopiero 3 miliony lat temu – to błysk w ewolucyjnych skalach czasowych. Odkrycie obaliło od dawna utrzymywane przekonanie, że ważne geny tak naprawdę nie zmieniają się zbytnio w trakcie ewolucji.

Zespół Malika zbadał dużą rodzinę genów muszek owocówek, które regulują inne geny – włączając je i wyłączając do różnych zadań w komórce. Okazało się, że w rodzinie około 70 genów, geny, które ewoluowały szybciej, z większym prawdopodobieństwem kontrolowały podstawowe funkcje much. W rzeczywistości 67 procent szybko ewoluujących genów było niezbędnych w porównaniu z 20 procentami w grupie wolniej ewoluującej.

„Dogmat jest zupełnie odwrotny od tego, czego można by się spodziewać” – powiedział Malik.

Zespół odkrył, że jeden z nowych niezbędnych genów, nazwany Nicknack, wydaje instrukcje dotyczące białka, które wiąże się z heterochromatyną, chociaż szczegóły pozostają nieznane.

Aby zobaczyć, jak szybko Nicknack mógłby przejąć istotną funkcję, naukowcy zastąpił Nicknack genu u D. melanogaster z Nicknack genu u jego najbliższego krewnego ewolucyjnej, D. simulans. Dwa gatunki much rozszczepiły się na dwie gałęzie muszki owocowej około 2,5 miliona lat temu. Naukowcy zwykle oczekiwaliby, że gen Nicknack S. simulans będzie zasadniczo taki sam jak gen D. melanogaster, ponieważ jest on niezbędny i dlatego nie zmieniłby się znacznie w krótkim okresie (w kategoriach ewolucyjnych) kilku milionów lat .

Przetestowali tę teorię, zamieniając gen z D. simulans na gen z D. melanogaste r, spodziewając się, że gdyby geny były takie same, wymiana nie przyniosłaby żadnego efektu. Ale zamiast tego samice much dobrze przeżyły zamianę, ale wszystkie samce zginęły. Malik uważa, że ​​różnica między płciami ma związek z heterochromatyną: chromosom Y zawiera jej dużo.

„To tak, jakby [ D. ] simulans [ gen Nicknack ] był bardzo prosty” – mówi Malik. „Jest wystarczająco dobry, aby spełniać swoją funkcję u samic much, ale u samców, gdzie jest ogromny blok heterochromatyny, nie może.” Innymi słowy, gen z jednego gatunku nie może się równać ze swoim odpowiednikiem z drugiego.

Wynik sugeruje, że w ciągu 2,5 miliona lat od podziału dwóch gatunków D. melanogaster wyewoluowały u nich własne wersję Nicknack. A ponieważ zamiana wpłynęła niekorzystnie na mężczyzn, z powodu ich obfitości heterochromatyny w chromosomie Y, naukowcy doszli do wniosku, że Nicknack musi odgrywać kluczową rolę w regulacji heterochromatyny. A ponieważ heterochromatyna ewoluuje tak szybko, gen Nicknack również musi ewoluować szybko, więc nie staje się przestarzały.

Następnie Malik ma nadzieję przeprowadzić więcej badań, aby zrozumieć dokładną funkcję Nicknacka. Może to pomóc rzucić światło na rolę heterochromatyny w kształtowaniu szybkości i przebiegu ewolucji. Naukowcy, dopiero zaczynają rozumieć, na wiele różnych sposobów to „śmieciowe DNA” które bynajmniej nie jest śmieciem [niepotrzebne].

Źródła: Monique Brouillette

B. Kasinathan et al. Innovation of heterochromatin functions drives rapid evolution of essential ZAD-ZNF genes in Drosophila. Published online November 10, 2020. doi: 10.7554/eLife.63368.

Zdjęcia: JOSE LUIS CALVO/SCIENCE SOURCE

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x