Ученые выяснили, что у плодовых мушек новые гены могут возникать из консервативных — практически неизменных в процессе эволюции — некодирующих участков ДНК. Такой вывод был сделан авторами в результате изучения гена lawc, который присутствует исключительно у дрозофил.
Было установлено, что дрозофилы успешно существуют и размножаются, даже если данный ген у них отсутствует, поэтому функции этой последовательности еще предстоит выяснить. Это открытие позволит глубже понять, как возникают новые гены у других живых существ, включая человека. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Genetics and Genomics.
У организмов, у которых имеются ядра клеток, таких как грибы, растения и животные, а также у человека, гены — это фрагменты ДНК, кодирующие белки, состоящие из чередующихся участков — экзонов и интронов. Экзоны несут информацию о структуре белка, что делает их важными для дальнейшего синтеза. Интроны же считаются некодирующими, поэтому на одном из этапов, предшествующих синтезу белка, они удаляются. Это означает, что интроны не определяют напрямую структуру белка, но могут содержать различные регуляторные элементы, такие как энхансеры («усилители»), которые влияют на скорость синтеза белка. Тем не менее, в процессе эволюции в этих регуляторных областях могут происходить мутации, которые приводят к образованию новых генов на месте некодирующей ДНК. Случаи подобного «рождения» новых генов уже зафиксированы у многих организмов, включая человека, однако механизм данного процесса оставался не до конца ясным.
Исследователи из Института биологии гена РАН (Москва) и Института биологии развития имени Н. К. Кольцова РАН (Москва) изучали, как возникают новые гены из некодирующих последовательностей ДНК на примере плодовой мушки Drosophila melanogaster. Это насекомое является удобным объектом для генетических исследований, так как оно неприхотливо в содержании и быстро размножается.
Биологи обратили внимание на ранее описанный ген lawc, который кодирует короткий ядерный белок, участвующий в регулировании работы генов. Исследование показало, что эта последовательность существует только у дрозофил (представителей семейства Drosophilidae), а у других насекомых отсутствует. Проанализировав данные о происхождении плодовых мушек, авторы уточнили эволюционную историю гена lawc и обнаружили, что он возник около 68 миллионов лет назад у общего предка дрозофил.
Ученые установили, что у всех видов плодовых мушек ген lawc имеет два консервативных участка — фрагмента, структура которых почти не менялась в ходе эволюции. Эти элементы находятся в некодирующей регуляторной области другого гена — Trf2 (то есть последовательности этих генов перекрываются), и именно они могли стать основой для формирования новой кодирующей последовательности lawc.
Кроме того, авторы выяснили, что ген lawc активен на всех стадиях развития дрозофил (от личинок до взрослых особей) и в самых различных органах и тканях — от нервной системы до половой. Это необычно, так как чаще всего гены, образующиеся из некодирующих последовательностей, активны локально, например только в семенниках.
Исследователи также создали мутантных мух, у которых ген lawc был удален. Отсутствие этой последовательности в геноме не оказало влияния на выживаемость и плодовитость насекомых, но сказалось на работе перекрывающегося с ней гена Trf2, что свидетельствует о их функциональной взаимосвязи.
«Наша работа продемонстрировала, что новые гены могут возникать на основе консервативных регуляторных последовательностей, уже имеющихся в геноме. Это позволяет по-новому взглянуть на механизмы формирования генов и их роль в эволюции живых организмов. Потенциально такие механизмы могут быть использованы в биотехнологии, например для создания искусственных генов с интересующими исследователей свойствами. В дальнейшем мы намерены исследовать, как эволюционировали эти совместно работающие гены в условиях их перекрытия. В частности, мы хотим оценить роль малых молекул микроРНК в процессе такой адаптации, так как известно, что они представляют собой особый уровень контроля работы генов. Кроме того, исследование позволит ответить на вопрос, могли ли за относительно короткий срок существования молодого гена сформироваться условия для его контроля со стороны малых молекул микроРНК», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Симонова, доктор биологических наук, старший научный сотрудник отдела регуляции генетических процессов Института биологии гена РАН.
Материал подготовлен Российским научным фондом
Фото: hi-tech.mail.ru