По данным Стэнфордского исследования, участки ДНК, подверженные разрушению и потере, являются генетическими горячими точками для важных эволюционных изменений. Результаты могут привести к новому пониманию эволюции человека.

Области ДНК, чувствительные к удалению во время репликации, возможно, позволили позвоночным успешно адаптироваться к быстро меняющимся условиям окружающей среды в ходе эволюции, согласно исследованию, проведенному в Медицинской школе Стэнфордского университета.

Исследование предполагает, что некоторые критические эволюционные изменения, вероятно, произошли скачкообразно в результате внезапной потери участков ДНК, а не в результате медленного накопления и аддитивного эффекта многих небольших мутаций .

Исследователи, которые изучали крошечную рыбу, называемую колючей спиной, обнаружили, что такие «хрупкие» участки ДНК создают генетические горячие точки, которые мутируют гораздо быстрее и значительно, чем соседние последовательности. Получающиеся в результате изменения могут помочь хранилищу организма намного опередить своих сверстников в эволюционной гонке вооружений.

Хотя аналогичные результаты были описаны у бактерий, это одно из первых исследований, которое показало, что такой же процесс произошел у позвоночных, чтобы вызвать драматические изменения в структуре тела. Это также обращается к давней загадке в эволюционной биологии.

«Существует много доказательств того, что одни и те же гены в разных популяциях или видах часто ответственны за сходные эволюционные изменения», — сказал Дэвид Кингсли, доктор биологических наук, профессор биологии развития. «То, что не было ясно, это то, почему это происходит. Это исследование описывает на биохимическом уровне, вплоть до атомов и последовательностей в ДНК, как мутации определенного типа могут возникать неоднократно, что затем способствует развитию сложной скелетной черты, развивающейся над и снова у диких видов рыб. Это прекрасный пример того, как хрупкость ДНК иногда может способствовать появлению благоприятных признаков, а не болезней в естественных популяциях, и может дать нам важную информацию о процессе эволюции человека ».

Кингсли, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, является старшим автором исследования, которое было опубликовано 4 января в журнале Science . Аспирант Кэтлин Се является ведущим автором работы.

Многие мутации включают изменение только одного нуклеотида или буквы ДНК. Немногие из этих «точечных» мутаций сами по себе дадут эволюционное преимущество. Вместо этого значительные изменения часто требуют постепенного накопления нескольких таких мутаций. Напротив, внезапные, большие изменения в геноме могут иметь большие последствия — например, изменение структуры тела путем модификации скелета или влияния на обмен веществ или работу мозга. Часто эти изменения вредны, уменьшая шансы на выживание животного. Иногда, однако, изменения являются выгодными.

Когда последний ледниковый период закончился, около 10 000 лет назад, очаги мигрирующих в океане трёхшпиндельных колючек колонизировали вновь образовавшиеся озера и ручьи в прибрежных районах, а затем развивались независимо в ответ на их новые локальные условия. В результате многие из этих популяций показывают значительные различия в структуре тела. Например, морские колюшки имеют задний плавник с большим позвоночником, выступающим вниз от их тазовой структуры. Напротив, десятки пресноводных популяций потеряли этот задний плавник; его отсутствие, вероятно, уменьшает их потребность в кальции и шансы быть схваченными и съеденными голодными насекомыми.

Предыдущие исследования в лаборатории Кингсли идентифицировали потерю определенной регуляторной области ДНК, называемой энхансером Пела, как повторную причину отсутствия задних плавников во многих популяциях пресноводных рыб. Энхансер Pel управляет экспрессией белка, необходимого для запуска развития задних плавников. В этом исследовании Се использовал морскую ДНК-колючку, чтобы исследовать область Пела, которая отсутствует в его пресноводных собратьях, чтобы выяснить, почему эта область была особенно подвержена гибели.

Се обнаружил, что последовательность ДНК в области Пеля необычна по нескольким причинам. В отличие от окружающих областей, которые демонстрируют нормальное, более стабильное спиральное закручивание, связанное с большей частью ДНК, утраченная область энхансера Pel образовала альтернативную структуру ДНК, которая, как предсказывали, является очень гибкой и, вероятно, будет нестабильной во время репликации ДНК. Последовательность также содержит длинные последовательности повторяющихся пар нуклеотидов, как своего рода генетическое заикание. Предыдущие исследования на бактериях, мышах и людях показали, что эти повторы часто связаны с делециями участков ДНК.

Более частое нарушение хромосом

Когда Се проверил стабильность отсутствующей области Pel , вставив ее в искусственные дрожжевые хромосомы, она обнаружила, что хромосома разрывается примерно в 25-50 раз чаще, чем типичные последовательности ДНК. Когда Се и ее сотрудники затем протестировали сходные последовательности ДНК в клетках млекопитающих, они обнаружили, что ключевая последовательность динуклеотидных повторов часто приводит к удалению участков ДНК длиной более 100 нуклеотидов.

Наблюдаемое Се увеличение скорости разрушения хромосом в сочетании с вероятностью того, что это повреждение приводит к удалению целых участков ДНК, могло быть ключевым фактором, позволяющим вновь и вновь проявлять характерный скелетный признак заднего плавника во многих различных молодые популяции оленей Ученые полагают, что повышенная частота мутаций может играть аналогичную роль, когда у других организмов возникают полезные признаки.

«Многие позвоночные, в том числе ранние люди, имеют дело с небольшой численностью населения и относительно длительным временем генерации», — сказал Кингсли, профессор Rudy J. и Daphne Donohue Munzer в Медицинской школе. «Существует не так много доступных поколений для развития новых, потенциально выгодных черт. В этих условиях может быть особенно важно, чтобы мутации происходили с повышенной скоростью и имели потрясающий эффект».

Когда исследователи исследовали известные случаи адаптивных изменений у людей, они обнаружили, что около половины происходило из-за мутаций, которые также возникают с повышенной скоростью по сравнению с более типичными изменениями букв ДНК.

«Мы учимся тому, что« прибытие наиболее приспособленных »или относительная скорость, с которой возникает потенциально благоприятная мутация, иногда может быть столь же важным, как и« выживание наиболее приспособленных », — сказал Кингсли. «Сам процесс мутации оказывает важное влияние на результат, и появление мутации взаимодействует с ее влиянием на способность организма вызывать серьезные изменения в эволюции позвоночных».