Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать
Согласно последним подсчетам, люди имеют приблизительно 21 000 генов. Но нужен ли нам каждый из них? Что если мы потеряли бы три или четыре гена? А если 3000 или 4000? Сможем ли мы после этого существовать? У людей есть различия в геномах, но их количество примерно одинаково, за исключением определенных генетических расстройств, таких как синдром Дауна, который вызван наличием дополнительной хромосомы.
Каждый ген в геноме предоставляет код белка, который влияет на нашу жизнь: от роста волос до переносимости определенных продуктов. Большинство генов, обнаруженных в геноме человека, вероятно, безопасны, но есть животные, которые постепенно урезали свой геном, чтобы приспособиться к различным средам обитания.
Раньше ученые полагали, что каждый ген в геноме необходим для выживания, чем и объяснялось их разнообразие. Тем не менее, исследования геномов животных, содержащих меньшее количество генов, доказали ошибочность данной теории.
Если исследователи смогут понять, почему небольшие геномы способны функционировать столь эффективно, мы сможем разобраться в работе человеческого генома. Данным вопросом занимаются исследователи Генетического общества Америки Эми Редкар, Элисон Геркен и Джессика Велес.
Геномы могут меняться разными способами. Изменения могут быть незначительными, затрагивающими только один строительный блок ДНК, или крупномасштабными — дублирование или потеря большой части ДНК. Можно даже потерять целые генные пути — группы генов, действующих сообща. Большие потери в ДНК известны как рационализация генома.
Каждый организм приспосабливается к окружающей среде. В ряде случаев это достигается рационализацией генома. Во время этого процесса геном перестраивается по мере адаптации вида к окружающей среде. Оптимизация генома позволяет организмам выживать и даже процветать в сложных условиях: адаптироваться к голоду или развить в себе умение летать.
Ученые исследуют то, как приспосабливаются животные, рассматривая упорядоченные геномы конкретных видов, известных как «модельные виды», чтобы выяснить, какой генетический материал является избыточным и существует ли оптимальное количество генов, необходимых для выживания организма.
Яркий пример упорядочения генома — колибри. Основанием для изменений стали особенности полета и метаболические потребности. Эти птицы развили способность летать, а также ведут высокоэнергетический образ жизни, что отражено в их генетическом коде. Колибри обладают самым маленьким и наименее изменчивым геномом в птичьем мире — около 900 млн единиц ДНК. Гены колибри, кодирующие белки, в среднем на 27−50% короче генов млекопитающих. Эти адаптации возникли в процессе рационализации генома.
Быстро движущиеся птицы являются лишь одним из наиболее энергетически сложных видов, которые подверглись рационализации генома. В царстве растений крошечное безкорневое водное растение Utricularia gibba засасывает добычу (насекомых) в миниатюрные ловушки с помощью некоего подобия вакуумного насоса. Это растение приспособлено к хищному образу жизни благодаря эволюционному отбору генов, которые позволяют разрушать сложные молекулы с помощью специальных ферментов и сохранять структурную целостность растения в воде. Избыточные, менее важные и ненужные гены, были утеряны.
Предыдущие примеры существ малого размера заставляют задаться вопросом: насколько подвижным может быть геном? Поскольку геном вида сокращается, ученые могут выяснить, сколько генов способен потерять вид, прежде чем организм потеряет способность к выживанию.
Одним из таких организмов, используемых в исследованиях является одноклеточная цианобактерия Prochlorococcus marinus, обитающая в открытом океане. Она обладает 1,8 млн единиц ДНК — наименьший геномом среди всех известных фотосинтезирующих организмов.
Цианобактерии не способны создавать много незаменимых молекул, необходимых для выживания. Они потеряли целые генные пути, используемые для создания аминокислот, необходимых для появления белков. В результате Prochlorococcus marinus больше не может выживать в естественной среде без помощи симбиотических или других полезных видов, которые обеспечивают потребности бактерии в аминокислотах. Без таких помощников вырастить Prochlorococcus marinus невозможно даже в лабораторных условиях. Как вариант — непосредственное добавление необходимых цианобактерии аминокислот.
Подобные симбиотические отношения существуют и у насекомых. Некоторые виды бактериального патогена Nardonella подверглись рационализации генома, сократив его до 230 тысяч единиц ДНК. В результате были потеряны все гены, кроме необходимых для синтеза ДНК, и генного пути для производства тирозина — аминокислоты для создания белков.
Эти бактерии удовлетворяют почти все свои метаболические потребности благодаря жизни в долгоносиках. Бактерии помогают насекомому генерировать аминокислоту тирозин, которая создает более темный и твердый экзоскелет долгоносика. В результате Nardonella зависит от хозяина и взамен дает ему необходимую защиту.
Подобно людям, все эти виды имеют структурированную генетическую информацию, но опыты на данных животных, растениях и бактериях показали, что для выживания в окружающей среде необходим далеко не каждый ген. Мы приближаемся к пониманию того, как возникают генетические адаптации, как потеря генетической информации влияет на геномы видов и сколько генов ему нужно, чтобы выжить в уникальных и сложных условиях.
Обсудить 0
