Наши гены (также известные как генотип) определяют наши характеристики (также известные как фенотип). Эволюция воздействует на изменения в фенотипе, которые происходят, когда мутации изменяют основной генотип. Но то, какие изменения фенотипа могут быть произведены мутациями, не безгранично - муравьи не могут внезапно вырастить хобот, или стать размером со слона. Исследователи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) обнаружили, что в системе регуляции генов бактерии Escherichia coli чем больше мутированных компонентов, тем свободнее может развиваться система. Это результат исследования, опубликованного группой под руководством Калина Гуэта и Джонатана Боллбака при участии первого автора постдока Мато Лагатора в eLife.
Свобода меняться
Эффекты мутаций определяют, как система может измениться. Но когда мы возьмем систему, состоящую из нескольких компонентов, например систему, регулирующую экспрессию генов, что произойдет, если мутирует не один компонент, а несколько? У системы меньше возможностей для изменений или больше? Исследователи изучили этот вопрос в небольшой системе регуляции генов E. coli, состоящей из двух компонентов: фактора транскрипции, представляющего собой белок, контролирующий скорость транскрипции генетической информации из ДНК в РНК; и его сайт связывания с ДНК, где фактор транскрипции связывается, чтобы начать транскрипцию. В этом исследовании ученые рассмотрели, что происходит, когда они мутируют каждый компонент по отдельности и когда они мутируют оба компонента одновременно.
Несколько парадоксально, они обнаружили, что эволюция системы менее ограничена, когда мутируется больше компонентов.«В разительном контрасте с тем, что я предполагал до проведения экспериментов, если мы изменим несколько компонентов, система сможет развиваться более свободно. Это стало для меня полной неожиданностью!» говорит первый автор Мато Лагатор. Затем команда рассмотрела, почему система может развиваться в большем количестве направлений по сравнению с ее отдельными компонентами.
Когда 1+1 не равно 2
Они обнаружили, что система развивается более свободно, потому что мутации в двух компонентах взаимодействуют друг с другом, явление, которое они называют «межмолекулярным эпистазом». Мато Лагатор объясняет ее значение: «Эпистаз означает, что 1+1 равняется не 2, а 3 или 0. Генетически говоря, одна точечная мутация изменяет транскрипционный фактор так, что фенотип нашей системы регуляции генов меняется на Х, а другая точка мутация изменяет сайт связывания, так что фенотип меняется на Y. Теперь, когда обе мутации происходят вместе, фенотип не просто X + Y, он другой». Это означает, что мутации взаимодействуют, предоставляя всей системе больше свободы для изменения и развития.
До сих пор наше понимание эпистаза было в основном описательным, но то, как существующие молекулярные механизмы определяют паттерны эпистаза, не было понято. В этом исследовании исследователи дают механистическое понимание того, как взаимодействуют мутации в двух разных молекулах, объясняет Мато Лагатор: «Самое интересное, что мы показываем, что в этой системе регуляции генов большая часть эпистаза возникает из-за генетической структуры системы., Эта структура определяет, как мутации взаимодействуют друг с другом."