Как и тем, кто ищет работу в поисках новой должности, живым организмам иногда тоже приходится приобретать новые навыки, если они хотят добиться успеха. Исследователи из университета Калифорнии в Дэвисе и университета Упсалы, Швеция, впервые показали, как это делают живые организмы.
Исследование, опубликованное 19 октября в журнале «Science», ликвидирует важный пробел в теории естественного отбора.
Ученые давно задавались вопросом, как у живых организмов появляются новые функции при ограниченном наборе генов. Одним из популярных объяснений является то, что гены дуплицируются случайным образом; дупликация подвержена мутации, что и дает возможность появляться новым функциям, и, если это новая функция полезна, ген распространяется.
„Это старое понимание, и, несомненно, это имеет место“, — сказал Джон Рот, известный профессор микробиологии Калифорнийского университета в Дэвисе и соавтор статьи.
Проблема, как сказал Рот, состоит в том, что трудно себе представить, как это происходит. Естественный отбор безжалостно эффективен в удалении мутировавших генов: гены, которые не получили положительной оценки, быстро теряются.
А каким же образом новая дупликация гена достаточно долго держится и усваивает новые полезные функции, которые потом станут целевыми для положительной селекции?
Эксперименты в лаборатории Рота и других странах позволили получить модель возникновения новых генов.
В новой модели исходный ген, прежде всего, получает вторую, слабую функцию наряду со своей основной деятельностью; так же, как автомеханик, например, может увлекаться компьютерами. Если условия изменяются таким образом, что побочная деятельность становится важной, тогда выбор этой побочной деятельности способствует повышению экспрессии старого гена. В случае с механиком спад в автомобильной промышленности или бум в ИТ-секторе может потребовать усовершенствовать свои навыки работы с компьютером и начать искать работу в области ИТ.
Наиболее распространенным способом увеличения экспрессии генов является дупликация генов, возможно, несколько раз. Естественный отбор в этом случае действует во всех копиях гена. В случае выбора копии накапливают мутации и рекомбинируют. У некоторых копий развивается усиленная побочная функция. У других копий сохраняется их первоначальная функция.
В конечном счете, у клетки появляется два различных гена, по одному для каждого вида деятельности, вот так и появляется новая генетическая функция.
Ученые испытали эту модель с помощью бактерии сальмонеллы. Бактерии – носители гена, участвующего в создании аминокислоты гистидина, у которого была вторичная, слабая способность участвовать в синтезе другой аминокислоты, триптофана. В своем исследовании они удалили основной ген синтеза триптофана из бактерий и посмотрели, что получится.
После выращивания бактерий на протяжении 3000 поколений на питательной среде без триптофана они заставили бактерии развить новый механизм синтеза аминокислот. То, что при этом получилось, было триптофан-синтезирующей активностью, обеспечиваемой дуплицированной копией исходного гена.
„Важным усовершенствованием, предлагаемое нашей моделью является то, что весь процесс происходит при непрерывной селекции; нет такого момента, когда селекция отсутствует и во время которого дополнительные копии могут быть утеряны“, — сказал Рот.
...
