Команда исследователей из Университетов Чикаго, Висконсина и Небраски-Линкольна опровергла одну из классических гипотез эволюционной адаптации на примере плодовой мухи дрозофилы обыкновенной (Drosophila melanogaster). В 20 веке эти мушки стали одним из основных модельных организмов для биологии развития и с тех пор часто используются в генетических экспериментах.
Учёные синтезировали древнюю версию одного из генов этого вида и создали трансгенных насекомых (то есть с генами, которые не могут быть приобретены в результате естественного скрещивания). Эксперименты с ними показали, что приспособление мушек к меняющимся условиям среды в ходе развития вида происходило не так, как считалось ранее. (Конкретный пример с пояснением приведём чуть ниже.)
"Одна из главных целей современной эволюционной биологии – определить, какие гены позволили видам адаптироваться к новой среде. Но это сложно сделать напрямую, потому что мы не можем провести тесты и оценить влияние древних генов на биологию животных, — рассказывает Мо Сиддик (Mo Siddiq) из Чикагского университета. – Мы поняли, что можем решить эту проблему с помощью двух недавно разработанных методик – статистической реконструкции древних нуклеотидных последовательностей и создания трансгенных организмов".
Проще говоря, биологи решили сначала "открутить время назад", чтобы понять, какими были гены плодовых мушек ранее, затем синтезировать один из них и внедрить его в геном насекомого, чтобы посмотреть, как при этом изменится его жизнь.
Когда учёные изучают адаптацию на уровне молекул, анализ последовательностей нуклеотидов в ДНК помогает им выявить так называемые следы отбора, указывающие на быстрое изменение гена в прошлом. Однако такие прописанные в геноме доказательства можно считать лишь косвенными, ведь причин для эволюции генов может быть очень много, и они необязательно связаны с изменившимися условиями среды, к которой приспосабливался организм. Соответственно, первого метода, упомянутого Сиддиком выше, недостаточно.
В ходе нового исследования учёные попробовали напрямую оценить влияние эволюции генов на адаптацию, добавив к первому методу второй. Руководитель работы Джо Торнтон (Joe Thornton) в своих предыдущих исследованиях уже использовал метод статистического восстановления нуклеотидных последовательностей, опираясь на обширные базы данных о строении геномов современных организмов, синтезировал их и анализировал молекулярные свойства полученных генов в лабораторных условиях.
Он и предположил, что генная инженерия и реконструкция древних генов вместе смогут показать, как изменение генома могло повлиять на организм в целом.
"Эту методику создания древней версии животных можно применять при изучении разных аспектов эволюции, — отмечает Торнтон. – Для первого эксперимента мы выбрали классический пример адаптации – плодовую мушку, которая в процессе эволюции приобрела способность переносить высокие концентрации спирта, содержащиеся в гниющих фруктах. Мы обнаружили, что широко распространённая гипотеза о механизмах эволюции плодовых мушек просто-напросто неверна".
Поясним, что в дикой природе D. melanogaster питается продуктами брожения плодов (мелкие насекомые часто появляются и быстро размножаются там, где лежит видавший виды фрукт). Они способны переносить более высокие концентрации спиртов, чем их ближайшие родственники, которые питаются другими продуктами.
Двадцать пять лет назад биологи Чикагского университета Мартин Крейтман (Martin Kreitman) и Джон Макдональд (John McDonald) разработали свой статистический метод выявления следов отбора, который и сегодня остаётся одним из наиболее широко используемых методов. Они продемонстрировали его состоятельность на примере гена алкогольдегидрогеназы (ADH). Этот ген кодирует фермент, который расщепляет этанол в клетках печени.
Крейтман и Макдональд обнаружили в нуклеотидной последовательности ADH следы отбора, а поскольку им было известно, что организм плодовой мушки расщепляет спирты быстрее сородичей, учёные предположили, что именно кодируемый ADH фермент помог мушке приспособиться к высоким концентрациям спирта. В итоге данная работа стала первым признанным научным сообществом случаем, когда специфический ген повлиял на адаптивную эволюцию вида.
Теперь же исследователи из США решили проверить гипотезу при помощи других технологий. Они смоделировали варианты нуклеотидных последовательностей гена до и после того, как плодовая мушка приобрела толерантность к этанолу (около 2-4 миллионов лет назад). Затем учёные синтезировали эти гены, инициировали их экспрессию и проверили способность полученных белков расщеплять спирты. В результате выяснилось, что изменения, которым геном плодовой мушки подвергся в процессе эволюции, не оказали особого влияния на работу фермента.
Тогда учёные встроили "древнюю" форму гена ADH в геном современных плодовых мушек и вывели тысячи модифицированных насекомых, чтобы проверить, как быстро они будут расщеплять этанол и сколько смогут прожить, если будут питаться гниющими плодами с высоким содержанием спиртов.
Эксперименты показали, что плодовые мушки с более древней формой гена ADH перерабатывали этанол не хуже, чем насекомые с "последней версией" гена. Более того, они точно так же взрослели и размножались, питаясь едой с высоким содержанием спиртов.
Таким образом, классическая гипотеза не подтвердилась, точнее, вид D. melanogaster действительно приспособился к богатой спиртами пище в процессе эволюции, однако изменения в ферменте алкогольдегидрогеназы с этим не связаны, делают вывод учёные.
Как поясняет Торнтон, гипотезу о влиянии гена ADH в своё время приняли, потому что экология, физиология и статистические следы селекции указывали в одном направлении.
"Но косвенные доказательства не означают, что предположение обязательно верно. Вот почему теперь, когда технологии дали нам такую возможность, мы хотели непосредственно проверить эту гипотезу", — добавляет он.
Команда исследователей из США надеется, что новая методика получения организмов с более древними версиями генов станет так называемым золотым стандартом в этой области и в будущем поможет точно определять, какие генетические изменения влияли на эволюционные особенности организмов.
Более подробно работа американских генетиков описана в научной статье, опубликованной в журнале Nature Ecology & Evolution.
Напомним, что ранее мы рассказывали о том, как глубоководные водоросли заставили учёных переписать историю зелёных растений, а эволюционная адаптация помогла скаковым лошадям стать быстрее. Кроме того, возможности ультрабыстрой эволюции недавно продемонстрировали куры и рыбы.
