Как появляются новые гены

Исследователи Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) совместно с учеными Института цитологии РАН (ИНЦ РАН) изучили, как в ходе эволюции появляется новый репродуктивный белок LOSP у беломорских моллюсков Neritrema. При этом авторам удалось показать редкий биологический процесс – “рождение” нового гена. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Gene, они позволяют ученым приблизиться к пониманию того, как появились гены современных живых организмов.

Сегодня учеными описаны сотни тысяч генов различных видов живых организмов. Большинство из них имеет известные науке гомологи – схожие между собой гены. С их помощью мы можем проследить эволюционную историю генов, но это не открывает путь к пониманию того, как именно они появились. Многие новые гены появляются в результате дупликации, т.е. появления копии, с последующими изменениями этой новой копии за счет случайных мутаций. Часто такие гены берут своё начало ещё от общего предка (Last Eukaryotic Common Ancestor; LECA).

Однако иногда гены могут появляться буквально «на пустом месте», поэтому ученые назвали их генами-сиротами (orphan genes). Они появляются в результате эволюции отдельной родственной группы организмов, вне которой ученые не могут обнаружить гомологи генов-сирот. Некоторые из этих генов представляют пример редкого события – появления нового гена в эволюции, которого не было у предков. Поэтому они представляют интерес для изучения: механизмы появления новых генов, как и всего принципиально нового в эволюционном процессе, все еще слабо изучены.

“Ранее мы обнаружили белок LOSP, который транслируется с гена-сироты, у двух криптических (т.е. внешне почти неотличимых) видов беломорских моллюсков рода Littorina. Этот белок в больших количествах нарабатывается в репродуктивных клетках самцов моллюсков и, по-видимому, важен для их размножения. Мы смогли подробно описать его структуру и особенности экспрессии. Несмотря на то что он специфично нарабатывается в определённом типе репродуктивных клеток, нам не удалось установить его функцию. Для него неизвестно гомологов в базах данных. Его эволюционное происхождение и влияние на эволюцию моллюсков этого рода представляются крайне интересными для изучения“, – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории регенеративной биомедицины ИНЦ РАН Арсений Лобов.

Для проведения исследования на первом этапе авторы собрали материал моллюсков шести видов: пяти видов Neritrema и одного вида Littorina – оба относятся к одному роду моллюсков Littorina. В общей сложности было изучено более 200 моллюсков, для которых исследователи получили последовательность мРНК losp. Для лучшего понимания ее структуры авторы также провели расшифровку всех транскриптов в клетках репродуктивных тканей нескольких видов моллюсков из обоих подродов при помощи секвенирования нового поколения (NGS).

Оказалось, что большая часть белка LOSP присутствует только у видов подрода Neritrema, в то время как у изученного вида подрода Littorina был обнаружен лишь небольшой фрагмент этого белка. Ученые предположили, что эти повторы появились вследствие горизонтального переноса (т.е. генетический материал, полученный не от предка, а от другого организма “горизонтально”), и провели поиск гомологов повторов LOSP в геномах бактерий, обнаруженных в микробиоме, “живущими” рядом с этими моллюсками в природе. В результате удалось обнаружить гомологи этого фрагмента в геноме бактерии Pseudodesulfovibrio.

Наконец, когда авторы изучили структуру гена losp, они обнаружили ряд особенностей, указывающих на то, что изначально этот ген появился из некодирующей ДНК. Исходный вариант гена представлен у подрода Littorina. Затем в ходе формирования подрода Neritrema в этот ген встроились повторы, изначально имеющие бактериальное происхождение. В результате появился белок-кодирующий ген, который, по мнению авторов, участвует в половом размножении этих моллюсков. Причем он существенно различается между близкими видами подрода Neritrema и потенциально участвует в поддержании репродуктивной изоляции между ними.

“Наши данные показывают, как может происходить появление нового гена. Причем речь идет не о горизонтальном переносе готового гена бактерий или эволюции уже работающего гена, а о сборке нового гена из некодирующих фрагментов генома. Как и многие такие исследования, оно оставляет больше вопросов, чем дает ответов. Какова функция LOSP в репродукции этих моллюсков? Почему у одних видов Neritrema он подвержен стабилизирующему отбору, а у других он эволюционирует с необычайно высокой скоростью? И, наконец, самый главный вопрос: как появление этого гена повлияло на эволюцию моллюсков рода Littorina?“ – поясняет Арсений Лобов.

В будущем ученые планируют провести функциональные эксперименты и выявить белок-партнер LOSP в репродуктивной системе самок этих моллюсков.

В исследовании принимали участие исследователи из СПбГУ и ИНЦ РАН. Исследования были поддержаны грантом Российского научного фонда (№ 19-14-00321).

Источник: пресс-служба Института цитологии Российской академии наук