Среди невероятного разнообразия живых существ на нашей планете есть одна общая тема. Организмы должны приобрести новые гены или изменить функции существующих генов, чтобы приспособиться и выжить.
Как это происходит?
Распространенное мнение состоит в том, что гены дублируются, при этом одна из копий получает новую функцию, а другая копия продолжает функционировать как прежде.
Однако, изучая крошечных паразитических ос-драгоценностей и их быстро меняющийся репертуар яда, лаборатория Веррена в Университете Рочестера обнаружила другой процесс, который может быть широко распространен и у других видов.
Процесс включает кооптацию генов с одной копией для выполнения новых функций. В некоторых случаях эти гены, по-видимому, продолжают свою прежнюю функцию и в других частях анатомии осы, помимо ядовитой железы. Результаты опубликованы в журнале Current Biology..
«Сейчас они как будто подрабатывают по совместительству», - говорит Джон (Джек) Веррен, профессор биологии. «У них есть дневная работа, а затем они берутся за ночную работу. Со временем, если ночная работа срабатывает, они могут бросить дневную работу и развиться в специалистов по ядам. Однако в других случаях у нас есть обнаружили, что они перестают подрабатывать генами яда, но, по-видимому, сохраняют свою основную работу».
Как кооптируется ген? И что определяет, какую работу (или комбинацию работ) он выполняет? В случае с драгоценными осами ключевым является процесс, называемый регуляцией генов. Как объясняют исследователи, быстрая смена генов яда осуществляется в основном за счет изменений в регуляторных областях, прилегающих к генам.
Эти регуляторные регионы контролируют, как экспрессируются гены, то есть включаются ли гены или «выключаются» в разных тканях. Когда ген включен, он дает инструкции по производству белков. Когда он выключен, он не дает таких инструкций.
«Кооптация генов с одной копией может быть более быстрым механизмом адаптации к новой среде, поскольку не требует предварительного дублирования гена», - отмечает Эллен Мартинсон, соавтор и докторант исследования. сотрудник лаборатории Веррена
«По сути, эти осы перерабатывают свои гены для выполнения новых функций», - говорит соруководитель Мриналини, бывший постдоктор лаборатории Веррена, которая с тех пор перешла в Национальный университет Сингапура, где изучает змеиные яды.
Эта группа, в которую также входят два других исследователя из Университета Рочестера, Йогешвар Келкар и Чинг-Хо Чанг, изучила четыре близкородственных вида драгоценных ос. Осы откладывают яйца на куколки других насекомых, предварительно вводя куколкам яды, которые управляют метаболизмом хозяина таким образом, чтобы окружающая среда была более благоприятной для их развивающихся детенышей.
Используя секвенирование транскриптома и протеома, исследователи обнаружили, что более половины компонентов яда паразитических ос являются результатом однокопийных генов, которые были кооптированы без дублирования. Состав ядов может быстро меняться, что позволяет осам приспосабливаться к разным хозяевам. Например, даже близкородственные виды могут различаться до 40 процентов своего ядовитого репертуара..
Группа предполагает, что кооптация генов с одной копией для новой функции не ограничивается только ядами паразитоидов. Кооптация может быть обычным явлением в природе, особенно когда организмы быстро развиваются в меняющихся условиях.
Что касается паразитоидных ядов, то здесь может быть дополнительная польза, говорит Веррен.«Большое разнообразие паразитоидных ядов и обилие этих видов (оценки достигают 600 000 паразитоидных видов на Земле) в сочетании с тем фактом, что паразитоидные яды эволюционировали, чтобы управлять метаболическими процессами, предполагает, что они потенциально представляют собой огромный неиспользованный рог изобилия. за открытие лекарств."