В битве полов мужчины, по-видимому, обладают инновационным преимуществом - по крайней мере, с генетической точки зрения. Ученые обнаружили, что яички - это больше, чем просто фабрика по производству спермы; эти органы также служат очагами появления новых генов, сырьем для эволюции видов.
Используя плодовых мушек, группа Рокфеллеров получила ключевое представление о том, как попытки природы к инновациям разыгрываются во время развития сперматозоидов. В исследовании, описанном 16 августа в eLife, они сопоставили наличие мутаций в ДНК на уровне одной клетки и активность новых генов, возникающих в результате таких изменений.
«Наша работа предлагает беспрецедентный взгляд на процесс, который позволяет живым существам адаптироваться и развиваться, что в конечном итоге способствует разнообразию жизни на Земле», - говорит доцент Ли Чжао, руководивший исследованием.
Высокие ставки
В последние годы исследования на животных, от мух до человека, выявили ряд молодых генов, происходящих из яичек. Эти и другие открытия позволяют предположить, что яички считаются одними из самых продуктивных участков тела - мужчин или женщин - для генетических инноваций.
Это массовое производство генетических новинок сопряжено со значительными рисками. У человека, например, сперматозоиды отца приобретают в два-три раза больше новых мутаций, чем яйцеклетки матери в ходе нормального развития, в результате чего сперматозоиды полны генетических ошибок. В некоторых случаях такие ошибки могут навредить его потомству или даже полностью разрушить перспективу отцовства.
Другими словами, самец рискует потерять единственную вещь, которая имеет значение в игре эволюции: возможность передать свой генофонд следующему поколению.
Но каковы бы ни были потенциальные отрицательные стороны генетических экспериментов для отдельных самцов и их потомства, динамика размножения, тем не менее, поощряет их. Потенциальные отцы сталкиваются с сильным давлением, чтобы привлечь женщин и отбиться от конкурентов. Любое преимущество, например более яркое оперение или более выносливая сперма, может иметь решающее значение.
На молекулярном уровне это давление приводит к обилию новых генов в яичках. Ученые считают, что если эти новоприбывшие вносят свой вклад в способность самцов производить здоровое потомство, они быстро занимают фиксированное место в геноме и могут даже продолжать вносить свой вклад в другие части тела.
Поиск по ячейке
Однако если присмотреться, то картина становится размытой. Ученые еще не поняли динамику генетической инновации в клетках-предшественниках, из которых развиваются сперматозоиды.
Чтобы узнать больше, Чжао и исследователи в ее лаборатории пометили отдельные клетки семенников мух, а затем идентифицировали и расшифровали последовательности РНК, содержащиеся в каждой из них. Такой подход позволил им увидеть, как активность конкретных генов менялась на разных стадиях развития. В рамках последовательностей РНК, выделенных из стволовых клеток и пяти типов промежуточных клеток, исследователи изучили инновации с двух точек зрения: с точки зрения мутаций и с точки зрения генов.
Мутации, известные как замены, при которых одна буква кода ДНК заменяется другой, наиболее распространены на ранних стадиях развития сперматозоидов, а затем уменьшаются, как они обнаружили. Механизм репарации ДНК сперматозоидов следует той же схеме - он наиболее активен на ранней стадии, затем снижается, что, по словам Чжао, имеет смысл, поскольку механизм отвечает за исправление подобных ошибок.
Начнем с нуля
В рамках последовательностей РНК команда Чжао охотилась за определенным типом молодого гена, который возникает на пустом месте, а не в результате дублирования существующего гена. Для Чжао эти так называемые гены de novo, происходящие из последовательностей, которые изначально не кодировали белок, представляют собой наиболее интересные новые гены с точки зрения эволюции. Ее команда обнаружила не менее 184 генов de novo, взятых из набора, который они ранее идентифицировали.
Когда они исследовали эти гены de novo, ученые обнаружили сложные закономерности, при которых определенные гены проявляются в основном в определенных типах клеток, но не в других. Около 15 процентов этих генов появились на ранних стадиях, в том числе на стадии стволовых клеток, что удивительно, говорит Чжао, поскольку ранее ученые считали, что новые гены редко появляются в начале развития, поскольку эта фаза строго контролируется. Однако наиболее активный период для генов de novo приходится на промежуточный период, в так называемую сперматоцитарную фазу развития сперматозоидов.
Ученые сейчас заинтересованы в том, чтобы понять, какой цели служат гены de novo, когда они возникают впервые. И хотя вполне возможно, что некоторые из них срабатывают случайным образом, не внося особого вклада, Чжао подозревает, что во многих случаях эти новые гены играют роль в созревании сперматозоидов..
«Что именно эти гены de novo делают для продвижения развития, остается захватывающим открытым вопросом», - говорит Чжао.