Ученые из Чикагского университета создали первых генетически модифицированных животных, содержащих реконструированные древние гены, которые они использовали для проверки эволюционного воздействия генетических изменений, произошедших в далеком прошлом, на биологию и физическую форму животных.
Исследование, опубликованное в начале 13 января в журнале Nature Ecology & Evolution, является важным шагом вперед в усилиях по изучению генетической основы адаптации и эволюции. Конкретные данные, касающиеся способности плодовой мушки расщеплять алкоголь в гниющих фруктах, опровергают широко распространенную гипотезу о молекулярных причинах одного из классических случаев адаптации эволюционной биологии.
Одна из основных целей современной эволюционной биологии состоит в том, чтобы идентифицировать гены, заставляющие виды адаптироваться к новым условиям, но сделать это напрямую было трудно, потому что у нас не было возможности проверить влияние древние гены в биологии животных», - сказал Мо Сиддик, аспирант кафедры экологии и эволюции Чикагского университета, один из ведущих ученых исследования.
«Мы поняли, что можем решить эту проблему, объединив два недавно разработанных метода - статистическую реконструкцию последовательностей древних генов и создание трансгенных животных», - сказал он.
До недавнего времени в большинстве исследований молекулярной адаптации анализировались последовательности генов для выявления «признаков отбора» - паттернов, предполагающих, что ген изменялся так быстро в ходе своей эволюции, что отбор, вероятно, был причиной. Однако доказательства этого подхода являются лишь косвенными, поскольку гены могут быстро развиваться по многим причинам, таким как случайность, колебания размера популяции или отбор функций, не связанных с условиями окружающей среды, к которым, как считается, организм приспособился.
Сиддик и его советник, Джо Торнтон, доктор философии, профессор экологии, эволюции и генетики человека в Чикагском университете, хотели напрямую проверить влияние эволюции гена на адаптацию. Торнтон впервые применил методы реконструкции генов предков - статистическое определение их последовательностей из больших баз данных современных последовательностей, затем их синтез и экспериментальное изучение их молекулярных свойств в лаборатории. Эта стратегия позволила лучше понять механизмы эволюции биохимических функций.
Торнтон и Сиддик пришли к выводу, что, объединив реконструкцию генов предков с методами создания трансгенных животных, они смогут изучить, как генетические изменения, произошедшие в глубоком прошлом, повлияли на целые организмы - на их развитие, физиологию и даже на приспособленность.
«Эта стратегия создания «животных-предков» может быть применена ко многим эволюционным вопросам», - сказал Торнтон.«Для первого тестового случая мы выбрали классический пример адаптации - то, как плодовые мушки развили способность выживать при высоких концентрациях алкоголя в гниющих фруктах. Мы обнаружили, что общепринятое мнение о молекулярных причинах эволюции мух просто неверно.."
Плодовая мушка Drosophila melanogaster является одним из наиболее изученных организмов в генетике и эволюции. В дикой природе D. melanogaster живет в богатых алкоголем гниющих фруктах, выдерживая гораздо более высокие концентрации алкоголя, чем его ближайшие родственники, питающиеся другими источниками пищи. Двадцать пять лет назад в Чикагском университете биологи Мартин Крейтман и Джон Макдональд изобрели новый статистический метод поиска признаков отбора, который и по сей день остается одним из наиболее широко используемых методов в молекулярной эволюции. Они продемонстрировали это на гене алкогольдегидрогеназы (Adh) - гене фермента, расщепляющего алкоголь внутри клеток - у этой группы мух. У Adh был сильный признак отбора, и уже было известно, что D.мухи melanogaster расщепляют алкоголь быстрее, чем их сородичи. Таким образом, идея о том, что фермент Adh был причиной адаптации плодовой мушки к этанолу, стала первым признанным случаем специфического гена, который опосредовал адаптивную эволюцию вида.
Сиддик и Торнтон поняли, что эту гипотезу можно проверить непосредственно с помощью новых технологий. Сиддик впервые вывел последовательности древних генов Adh непосредственно перед и сразу после того, как D. melanogaster развил свою толерантность к этанолу, примерно два-четыре миллиона лет назад. Он синтезировал эти гены биохимическим путем, экспрессировал их и использовал биохимические методы для измерения их способности расщеплять алкоголь в пробирке. Результаты оказались неожиданными: генетические изменения, произошедшие в ходе эволюции D. melanogaster, не оказали заметного влияния на функцию белка.
Работая с сотрудниками Дэвидом Лелином из Университета Висконсина и Кристи Монтут из Университета Небраски, Сиддик затем создал и охарактеризовал трансгенных мух, содержащих реконструированные предковые формы Adh. Они вырастили тысячи этих «наследственных» мух, проверили, насколько быстро они могут расщеплять алкоголь, и насколько хорошо личинки и взрослые мухи выживают, когда их выращивают на пище с высоким содержанием алкоголя. Удивительно, но трансгенные мухи, несущие более поздний Adh, метаболизировали алкоголь не лучше, чем мухи, несущие более древнюю форму Adh. Что еще более поразительно, они не лучше росли и выживали при увеличении концентрации алкоголя. Таким образом, ни одно из предсказаний классической версии истории не сбылось. Нет сомнений в том, что D. melanogaster адаптировался к источникам пищи с высоким содержанием алкоголя в ходе своей эволюции, но не из-за изменений в ферменте Adh.
«История Adh была принята, потому что экология, физиология и статистическая характеристика отбора указывали в одном направлении. Но три ряда косвенных доказательств не делают безупречных доводов», - сказал Торнтон. «Вот почему мы хотели проверить гипотезу напрямую, теперь, когда у нас наконец есть для этого средства."
Сиддик и Торнтон надеются, что стратегия создания унаследованных от предков трансгеников станет золотым стандартом в области решительного определения исторических изменений в генах и их изменений в биологии и приспособленности организмов.
Со своей стороны, Крейтман, который до сих пор является профессором экологии и эволюции в Калифорнийском университете в Чикаго, поддержал новое исследование, помогая Сиддику консультировать по проекту и делясь своими обширными знаниями о молекулярной эволюции и генетике дрозофилы.
«С самого начала Марти был в восторге от наших экспериментов, и он так же поддержал, когда наши результаты опровергли известные выводы, основанные на его прошлой работе», - сказал Сиддик. «Я думаю, это очень вдохновляет».