Тайны эволюции: Как консервативная ДНК порождает новые гены

Исследование на плодовых мушках раскрывает процесс генной инновации

Учёные выявили, что у плодовых мушек (дрозофил) формирование новых генов может происходить из консервативных, эволюционно стабильных, некодирующих участков ДНК. Это открытие сделано в ходе изучения уникального для дрозофил гена lawc.

Примечательно, что плодовые мушки способны успешно жить и размножаться даже при отсутствии этого гена, что указывает на необходимость дальнейшего изучения его функций. Данное исследование имеет большое значение для понимания механизмов возникновения новых генов у других организмов, включая человека. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в научном журнале Journal of Genetics and Genomics.

У эукариотических организмов (грибов, растений, животных и человека) гены, ответственные за синтез белков, состоят из экзонов и интронов. Экзоны содержат непосредственную информацию о структуре белка, тогда как интроны, являясь некодирующими, удаляются на ранних этапах синтеза. Несмотря на это, интроны могут содержать важные регуляторные последовательности, такие как энхансеры, которые влияют на интенсивность синтеза белка. Эволюционные процессы, включая мутации, могут приводить к трансформации этих регуляторных участков в новые гены. Хотя случаи появления новых генов из некодирующей ДНК известны у многих видов, детальное понимание этого механизма оставалось неполным.

Для изучения этого феномена специалисты из Института биологии гена РАН и Института биологии развития имени Н. К. Кольцова РАН использовали плодовую мушку Drosophila melanogaster. Этот вид является идеальной моделью для генетических исследований благодаря простоте содержания и быстрому циклу размножения.

Исследователи сфокусировались на ранее описанном гене lawc, который кодирует короткий ядерный белок, участвующий в регуляции генной активности. Было установлено, что ген lawc встречается исключительно у дрозофил (семейство Drosophilidae) и отсутствует у других насекомых. Анализ генеалогии плодовых мушек позволил определить, что ген lawc возник примерно 68 миллионов лет назад у общего предка всех дрозофил.

У всех исследованных видов дрозофил ген lawc содержит два консервативных участка, чья структура почти не изменялась в ходе эволюции. Эти элементы расположены в некодирующей регуляторной области другого гена — Trf2, что означает их частичное перекрытие. Предполагается, что именно эти консервативные участки послужили основой для формирования новой кодирующей последовательности lawc.

Также выяснилось, что ген lawc активен на всех этапах развития дрозофил, от личинки до взрослой особи, и в различных тканях и органах, включая нервную и половую системы. Такая повсеместная активность необычна, поскольку вновь возникшие из некодирующих последовательностей гены чаще демонстрируют локальную экспрессию, например, только в семенниках.

Эксперименты с мутантными мухами, у которых ген lawc был удален, показали, что это не оказывает влияния на их выживаемость или плодовитость. Однако удаление lawc повлияло на функционирование перекрывающегося с ним гена Trf2, что подтверждает их функциональное взаимодействие.