Гены не существуют изолированно. Подобно бусинкам на нитке, они сидят рядом друг с другом на длинных молекулах ДНК, называемых хромосомами. До сих пор мало что было известно о том, как положение гена в хромосоме влияет на его эволюцию. Новое исследование, проведенное Калином Гуэтом, профессором Австрийского института науки и технологий (IST Austria), и Магдаленой Штайнрюк, аспиранткой группы Гета, показывает, что соседство гена может влиять на то, изменяется ли активность гена и как. Исследование было опубликовано сегодня в журнале открытого доступа eLife.
От бактерий до человека, то, как организмы выглядят и функционируют, во многом зависит от того, сколько продукта производится каждым геном, другими словами, насколько активны их гены. Активность гена может быть изменена мутациями, изменениями в ДНК, которые могут передаваться по наследству. Это может сделать организм лучше или хуже приспособленным к окружающей среде. Например, бактерия, которая вырабатывает больше белка, помогающего ей избавиться от антибиотика, может выжить, в то время как ее конкуренты погибнут от антибиотика. В своем исследовании Штайнрюк и Гет использовали экспериментальную эволюцию, чтобы выяснить, как положение гена в хромосоме влияет на мутации, повышающие активность гена.
Исследователи сконструировали ДНК кишечной бактерии Escherichia coli, чтобы поместить ген устойчивости к антибиотикам в разные положения ее хромосомы. Этот ген позволяет бактерии выкачивать антибиотик тетрациклин из клетки. В начале эксперимента ген был почти полностью выключен. Затем исследователи добавляли все больше и больше тетрациклина в среду обитания бактерий. Это заставляет бактерии включать ген путем мутации, поскольку производство большего количества гена устойчивости к антибиотикам позволяет им выкачивать антибиотик, чтобы они размножались и выживали. Авторы обнаружили, что у бактерий гораздо больше шансов выжить с геном устойчивости в одних местах хромосомы, чем в других. Это связано с тем, что соседство гена влияет на то, какие типы мутаций могут возникнуть - некоторые формы мутаций могут возникать только в том случае, если соседние гены позволяют им это делать.
«Мы показываем, что гены могут влиять на мутацию и адаптивный потенциал близлежащих генов. Организация генов на хромосоме является как причиной, так и следствием эволюционных изменений», - объясняет Калин Гет. Их исследования имеют жизненно важное значение, например, для решения глобальной проблемы здравоохранения, связанной с устойчивостью к антибиотикам. Магдалена Штайнрюк: «Это похоже на то, как развиваются люди: люди в вашем районе могут сильно повлиять на то, как выглядит ваше будущее. Наше исследование показывает, что устойчивость к антибиотикам, развивающаяся в результате мутаций, активирующих ген, сильно зависит от соседства гена». Эффекты хромосомного соседства до сих пор подробно не изучались. В будущем такие результаты могут помочь лучше оценить, следует ли ожидать появления новой устойчивости к антибиотикам..
Оригинальная публикация: Магдалена Штайнрюк и Калин Гет: «Эффекты комплексного хромосомного соседства определяют адаптивный потенциал гена в процессе селекции», elife, 25 июля 2017 г.