Обыкновенная плодовая муха, крошечное насекомое, привлекаемое к пиву или вину, в результате эволюции приобрела впечатляющую толерантность к алкоголю.
Более двух десятилетий назад, в одной из первых работ, в которых последовательности генов использовались для поиска признаков естественного отбора, ученые выдвинули гипотезу о том, что молекулярные изменения в ферменте придали видам плодовых мушек Drosophila melanogaster превосходную способность метаболизировать алкоголь. Ученые пришли к выводу, что изменение, которое они обнаружили в белке Алкогольдегидрогеназа (АДГ), может быть адаптацией, которая позволила D. melanogaster колонизировать богатые этанолом места обитания в гниющих фруктах лучше, чем его почти идентичный родственник Drosophila simulans..
Кажется логичным вывод, что изменения в последовательности генов, изменяющие аминокислоты в ферменте, расщепляющем алкоголь, могут быть механизмом естественного отбора.
Однако авторы новой статьи, опубликованной в Интернете 13 января журналом Nature Ecology and Evolution, говорят, что теперь они опровергли эту гипотезу.
Их результаты показывают, что интуиции и признаков отбора в последовательности генов может быть недостаточно для ученых, чтобы окончательно решить загадки молекулярной эволюции. Тесты также необходимы для проверки того, как изменения функционируют в организмах.
Используя генную инженерию, ученые воскресили белок ADH плодовых мушек от предков, чтобы сравнить аминокислотные изменения, которые произошли в D. Фермент АДГ melanogaster фактически улучшил способность плодовых мушек переносить алкоголь. Окончательный ответ был «нет».
«В этой статье используются преимущества современной молекулярной биологии и генетических подходов для проверки некоторых из этих гипотез», - сказала биолог из Университета Небраски в Линкольне Кристи Л. Монтут, эксперт по плодовым мушкам, которая является соавтором нового исследования. «Это не оспаривает тот факт, что этот вид имеет высокую толерантность к этанолу. Но это предполагает, что молекулярные изменения, которые привели к такой высокой толерантности, не в этом белке. Они должны быть в других генах в геноме».
Поиск новых путей у плодовых мушек может дать новые сведения о толерантности к алкоголю у людей, добавил Монтут.
Montooth и исследователь из Чикагского университета Мохаммад А. Сиддик провели эксперименты с живыми трансгенетическими мухами в своей лаборатории в Линкольне в октябре 2015 года. Они обнаружили, что аминокислотные изменения ADH не оказали заметного влияния на способность вида выживать при питании. все более высокие дозы алкоголя. Мухи были генетически сконструированы исследователем из Университета Висконсина Дэвидом Лелином, так что их единственное генетическое отличие заключалось в последовательности белка ADH.
Эксперименты с живыми дрозофилами подтвердили результаты других экспериментов по изучению биохимии фермента.
С помощью молекулярной эволюции ученые стремятся определить конкретные молекулярные изменения, лежащие в основе изменений признаков, которые формируют эволюционное генеалогическое древо.
«Сейчас мы генерируем так много данных о последовательностях столь многих видов, что относительно просто искать сигнатуры отбора в генах и находить хороших кандидатов на адаптацию», - сказал Монтут. «Но это всего лишь кандидаты. Вы должны функционально проверить их, если хотите сказать, что это варианты, одобренные естественным отбором».
Сиддик и Монтут начали работать вместе в 2008 году после того, как Сиддик прошел курс биологии для первокурсников, который Монтут преподавал, работая на факультете Университета Индианы. Он начал работать в ее лаборатории и стал соавтором исследований вместе с ней, когда был студентом бакалавриата.
"Несмотря на то, что сейчас я на пятом курсе аспирантуры, я все еще публикую статьи с профессором, с которым познакомился в первый день учебы в колледже", - сказал Сиддик.
Сиддик, который является первым автором исследования, в настоящее время получает докторскую степень в Чикагском университете, где он учится вместе с соавтором Джозефом В. Торнтоном, профессором, изучающим молекулярные механизмы эволюции. Дэвид В. Лелин, научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон, также участвовал в исследовании, создавая трансгенных мух, используемых в экспериментах.
Он приехал в Линкольн, чтобы работать с Монтут над исследованием плодовых мушек, по его словам, из-за ее опыта и знаний в области эволюционной физиологии, а также из-за ее влияния на его карьеру.
«Я посещал ее вводный урок биологии (будучи первокурсником колледжа), и мне он очень понравился, потому что ее страсть к эволюции и ее роль как объединяющего принципа в биологии действительно проявились», - сказала Сиддик.«Моя признательность за изучение признаков не только в пробирке, но и на уровне организмов проистекает из экспериментов, которые я проводил в студенческие годы».
Новое исследование является первой демонстрацией подхода, сочетающего реконструкцию последовательности предков с созданием трансгенных организмов для прямой проверки гипотез на нескольких биологических уровнях, сказал Сиддик. Это широко применимый подход, который теоретически можно использовать с другими организмами, поддающимися трансгенной инженерии.
"Одним из замечательных моментов в этой статье является то, что в ней рассматриваются эффекты мутаций этого гена на уровне того, как фермент функционирует в пробирке, как он функционирует на лету, а затем последствия того, как муха имеет дело с этанолом», - сказал Монтут. «В нем рассматриваются эффекты мутаций на разных уровнях биологической организации. Каждый из соавторов сыграл свою роль, исследуя разные уровни организации."