Все новости

Не летать рожденные. В утрате способности птиц к полету оказались виноваты «пассивные» участки генома

© Ольга Скворцова / Chrdk. / Александр Татарский / Игорь Ковалев / Экран / Billion Photos / Shutterstock
Исследователи из Гарвардского университета показали, что в утрате птицами способности к полету ключевую роль сыграли вовсе не мутации конкретных генов, а перестройки в регуляторной, некодирующей части генома. Причем произошло это с нелетающими птицами с разных континентов — страусами, нанду и эму — и совершенно независимо друг от друга. Это исследование в очередной раз напоминает нам о колоссальной и до сих пор не вполне изученной роли некодирующих последовательностей в работе генома и в эволюции эукариотов.

Как эволюция генома соотносится с геномом организмов? Если организмы в ходе эволюции прошли через одинаковые изменения, то изменились ли у них одни и те же гены одним и тем же образом? И если да, то что в них будет меняться — сами гены или механизмы их регуляции? Именно на эти, захватывающие дух любого эволюционного биолога вопросы попытались ответить авторы свежей публикации Science.

В качестве объекта исследователей заинтересовали нелетающие птицы из древнего таксона палеогнатов (древненёбных, или безкилевых). Именно к этому почтенному таксону относятся африканские страусы, южноамериканские нанду, австралийские эму, казуары и лохматые киви. Есть, правда, и нелетающие птицы, не относящиеся к палеогнатам. Так, например, пингвины и кайры, как и большинство птиц, относятся к новонёбным, но сразу скажем, что их это исследование не коснулось. Авторы отсеквенировали 11 птичьих геномов, среди них был даже геном уже давно вымершего лесного малого моа, безжалостно истребленного новозеландскими маори в конце XV века. (Этому событию они даже посвятили отдельную статью.)

Из 11 геномов восемь принадлежали нелетающим палеогнатам и три — летающим тинаму (это ближайшая родня южноамериканских нанду, умеющая летать). К этому исследователи добавили еще 30 расшифрованных геномов птиц  и начали увлеченно их сравнивать. С одной стороны, это помогло уточнить родственные связи между членами разношерстной семьи безкилевых птиц. С другой — позволило разобраться в том, как возникла в этом семействе неспособность к полету. Выснилось, что этот признак появлялся у палеогнатов независимо от трех до шести раз, то есть является результатом конвергенции — сближения неблизкородственных видов в ходе приспособления к одинаковым условиям.

Эму в Московском зоопарке
Описание
Эму в Московском зоопарке

Чем важнее для организма ген, тем более он консервативен, т.е. менее изменчив. Ведь изменение с большой вероятностью ломает ген, и если тот крайне важен, то несчастная особь-мутант рискует попросту не справиться с окружающей средой. Поэтому «работающие» гены обычно меньше изменяются, чем «неработающие». По этой логике, если мы хотим найти последовательности, ответственные за конвергентную «нелетучесть» палеогнат, мы должны изучать наиболее похожие, консервативные последовательности этих видов. Из предыдущих работ исследователи предполагали, что к утрате полета привели изменения в кодирующей части генома, то есть непосредственно в генах. Однако все оказалось гораздо интереснее.

Достучаться до причин

Последние полвека в мире науки только и разговоров, что о генах. Генная инженерия заставляет кишечных палочек суетливо синтезировать человеческий инсулин, а рис — смущенно желтеть от избытка бета-каротина на зависть оранжевой морковке. Не то чтобы мы прям досконально разобрались в функциях всех белков. Конечно, нет. Но, работая с последовательностями их производителей, генов, мы хотя бы можем взять в руки таблицу генетического кода, прикинуть, какой белок они кодируют, и начать думать, зачем он нужен. Мы даже можем выделить нужный ген (клонировать) и (если нам повезет), введя его в геном какой-нибудь кишечной палочки, получить готовый белок. Так когда-то сделали с человеческим инсулином и гормоном роста. Здесь бывают сюрпризы и сложности, но в целом подобная практика — прозаические будни молекулярной биологии и биоинженерии. Худо-бедно управляться с кодирующим геномом мы научились и уже используем эти навыки в индустрии.

Модифицированная E.coli флуоресцирует в чашке Петри
Описание
Модифицированная E.coli флуоресцирует в чашке Петри

А теперь давайте взглянем на сам геном и оценим наши успехи. Пожалуйста: человеческий геном включает 3,2×109  пар оснований, при этом последние оценки говорят, что в нем всего-то 19 000 кодирующих белки генов (и это при том, что прикидочные оценки конца 60-х предполагали, что их 2 000 000!). В процентном отношении все еще более интригующе — меньше 1,5% нашей ДНК кодируют белки! А что же оставшиеся 98,5% ДНК?

3,2×109

Тут мы подбираемся к самому интересному. В этих 98 с лишним процентах и скрываются самые модные и актуальные объекты для изучения в молекулярной биологии наших дней. Здесь находятся уже изученные вдоль и поперек последовательности, кодирующие рибосомальные и транспортные РНК, но помимо них здесь скрывается еще целый ворох загадочных регуляторных РНК. И, конечно, мусор: сломанные псевдогены, наглые интроны, влезшие когда-то прямо в последовательности генов, прочие мобильные элементы, а также остатки ретровирусов в огромном числе и разной степени сохранности.

Читайте также: Шторм корректировок. Биологи за раз удалили из генома одной клетки 13 200 мобильных элемента

Наконец, есть в некодирующей части еще и структурно-регуляторные последовательности, необходимые для поддержания структуры генома и его правильной трехмерной организации в ядре. Пространственная организация генома неразрывно связана с регуляцией его активности. Ведь для транскрипции (чтения) пригодна только декомпактизованная, распутанная из своей плотной укладки ДНК.

Укладкой и разворачиванием цепи ДНК (а зачастую и тесно связанными с ними процессами блокирования/активации) управляют многочисленные регуляторные элементы генома. Самые известные из них — энхансеры и сайленсеры, усиливающие или, наоборот, подавляющие активность генов. Что-то мы о них знаем, но в целом именно среди регуляторных последовательностей на сегодняшний день находятся главные белые пятна в нашем понимании работы и организации генома.

''

Исследования говорят, что как минимум 80% генома биохимически активно, т.е. хоть и с небольшой интенсивностью, но транскрибируется. А значит, большая часть генома, по-видимому, имеет функциональный смысл, и даже «мусорная» ДНК была приспособлена эволюцией и потому необходима для работы генома.

При этом нужно понимать, что это все разложено по полочкам лишь в нашей голове. В геноме же все эти последовательности плотно перемешаны, и понять, где настоящий мусор, где функциональная последовательность, а где приспособленный на благое дело мусор, ну очень непросто.

Если же мы вернемся к эволюции, то сегодня считается, что именно образование чудовищно избыточного и на первый взгляд неоптимального генома эукариотов позволило развить им тонкие, гибкие и отлично подходящие для эволюционных изменений механизмы генной регуляции, что и привело их к ошеломительному эволюционному успеху. То есть большая часть масштабных эволюционных преобразований должна быть связана с изменением регуляторной, а не кодирующей частей генома.

Только вот примеров этому было не так уж и много. Поэтому мы и говорим с вами сегодня о птичках.

Возвращаясь к птичкам

Вернемся же к неутомимым эволюционным генетикам! Пользуясь предыдущими данными, они решили начать свои поиски «генов нелетучести» с кодирующих генов. Однако здесь их поиск конвергентно эволюционирующих последовательностей увенчался лишь частичным успехом: они нашли лишь незначительные признаки положительного отбора в нескольких сотнях из них. Любопытно, что идентифицированные на этом этапе работы гены не были генами регуляторов развития (транскрипционных факторов), а оказались связаны преимущественно с метаболизмом. Из этого можно сделать осторожный вывод, что эволюция кодирующих генов может направлять такие черты птиц, как вес, обмен веществ, энергетический метаболизм и оперение, но не отсутствие развитых крыльев и киля для крепления летательных мышц.

Решив попытать удачу в другой стороне, исследователи провели масштабное сравнение последовательностей, способных выполнять регуляторную функцию, с генами, влияющими на способность к полету. Тут они также искали преимущественно консервативные, бережно сохраняемые эволюцией для нелетающих птиц последовательности.

Особое внимание было уделено последовательностям, регулирующим развитие передних конечностей. Ведь именно в эмбриональном развитии тела, включающем и развитие крыльев, регуляторные последовательности генома играют критически важную роль. Обнаружилось, что многие из последовательностей, проявляющих свойства конвергентной эволюции и консерватизма, ассоциированы с генами транскрипционных факторов, а значит, они могут быть как раз теми самыми регуляторными последовательностями «нелетучести».

Чтобы проверить, насколько активны подозреваемые ими участки ДНК, ученые применили мощный метод поиска транскрипционно-активных последовательностей генома ATAC-seq, позволяющий с высокой точностью идентифицировать участки декомпактизованной, активной ДНК (это уже было сделано на куриных эмбрионах). Так был идентифицирован небольшой круг энхансеров, в число которых вошел mCE967994, проявляющий активность при развитии передних конечностей куриных эмбрионов.

Для того чтобы посмотреть, как этот энхансер работает у летающих и нелетающих птиц, были клонированы три его последовательности у разных видов: худо-бедно летающей курицы, летающего хохлатого тинаму и его близкого нелетающиего родственника — обыкновенного нанду.

Курица, хохлатый тинаму и обыкновенный нанду
Описание
Курица, хохлатый тинаму и обыкновенный нанду

С их помощью сделали конструкции, в которых нужный ученым энхансер контролировал активность гена зеленого флуоресцентного белка GFP. Оказалось, что mCE967994 курицы и тинаму активны и запускают экспрессию GFP, а вот энхансер нанду работать не хотел. Очень похоже на то, что у нанду он, будучи нерабочим, просто не включает гены, ответственные за развитие передних конечностей.

Тут нужно сказать, что  энхансеры являются лишь верхним звеном сложной иерархии и управляют работой генов, транскрипционных факторов — белков, которые, в свою очередь, управляют активностью генов нижестоящего уровня. Получается, что неактивный mCE967994 выключает целую главу в развитии верхних конечностей нанду, оставляя его крылья недоразвитыми.

В итоге всей этой долгой и пыльной работы ученые пришли к выводу, что «гены бескрылости» являются в основном не белок-кодирующими последовательностями (генами в классическом смысле), а регуляторными элементами-энхансерами, направляющими развитие передних конечностей.

Слегка отвлекаясь от страусов, вспомним, что это утверждение лишний раз поддерживает гипотезу о критической важности регуляторной части генома для масштабных эволюционных преобразований. И, конечно, работа показывает, что для параллельных, конвергентных приспособлений к одним и тем же условиям эволюции приходится проводить очень похожие перестройки генома. То есть похожие проблемы эволюция по привычке решает похожими путями. Уж не потому ли, что пространство возможных преобразований генома сильно ограничено? Или просто наиболее простые и вероятные пути к одинаковым преобразованиям всегда похожи? Ответы на эти вопросы способны сильно продвинуть наше понимание генома и хода его эволюции.

Эта работа в очередной раз заставляет задумать о том, насколько мало мы еще представляем себе работу генома. В общем и целом современная биоинженерия, несмотря на все ее успехи, большей частью похожа на смышленого малыша, уже давно научившегося составлять слова-гены из букв-нуклеотидов и вовсю собирающего из этих слов простые, но вполне грамотные предложения-конструкции. Эволюция же частенько работает на уровне полубезумного гения-романиста, уже заканчивающего свой многотомный magnum opus и мощно перебрасывающего целые главы из одного тома в другой, а то и вовсе щедро выбрасывающего их в мусорную корзину. Нам же пока остается смотреть и учиться, в надежде когда-нибудь заняться тем же самым.

 Дмитрий Лебедев