Виживаючи, птахи здатні відкидати «непотрібні» гени. Ця цікава особливість пернатих може допомогти людям краще зрозуміти еволюційні процеси.
Bruce Jastrow / Unsplash
Згідно з останніми підрахунками, люди мають приблизно 21 000 генів. Але чи потрібен нам кожен з них? Що якщо ми втратили б три або чотири гени? А якщо 3000 чи 4000? Чи зможемо ми після цього існувати? У людей є відмінності в геномах, але їх кількість приблизно однакова, за винятком певних генетичних розладів, таких як синдром Дауна, який викликаний наявністю додаткової хромосоми.
Кожен ген у геномі надає код білка, який впливає на наше життя: від росту волосся до переносності певних продуктів. Більшість генів, виявлені в геномі людини, ймовірно, безпечні, але є тварини, які поступово урізали свій геном, щоб пристосуватися до різних середовищ існування.
Раніше вчені вважали, що кожен ген у геномі необхідний для виживання, чим і пояснюється їх різноманітність. Однак, дослідження геномів тварин, які містять меншу кількість генів, довели помилковість цієї теорії.
Якщо дослідники зможуть зрозуміти, чому невеликі геноми здатні функціонувати настільки ефективно, ми зможемо розібратися в роботі людського геному. Цим питанням займаються дослідники Генетичного товариства Америки Емі Редкар, Елісон Геркен і Джессіка Велес.
- Вчені щойно побили рекорди швидкості хвиль
- Опіоїди змусили птахів виконувати «джаз»
- Названий фермент, який призводить до втрати ваги без шкоди для апетиту або прийому їжі
Геноми можуть змінюватися різними способами. Зміни можуть бути незначними, що зачіпають тільки один будівельний блок ДНК, або великомасштабними — дублювання або втрата великої частини ДНК. Можна навіть втратити цілі генні шляхи — групи генів, що діють спільно. Великі втрати в ДНК відомі як раціоналізація геному.
Кожен організм пристосовується до навколишнього середовища. У ряді випадків це досягається раціоналізацією геному. Під час цього процесу геном перебудовується по мірі адаптації виду до навколишнього середовища. Оптимізація геному дозволяє організмам виживати і навіть процвітати в складних умовах: адаптуватися до голоду або розвинути в собі уміння літати.
Вчені досліджують те, як пристосовуються тварини, розглядаючи впорядковані геноми конкретних видів, відомих як «модельні види», щоб з’ясувати, який генетичний матеріал є надлишковим і існує оптимальна кількість генів, необхідних для виживання організму.
Яскравий приклад упорядкування геному — колібрі. Підставою для змін стали особливості польоту і метаболічні потреби. Ці птахи розвинули здатність літати, а також ведуть високоенергетичний спосіб життя, що відображено в їх генетичному коді. Колібрі володіють найменшим і найменш мінливим геномом у пташиному світі — близько 900 млн одиниць ДНК. Гени колібрі, що кодують білки, в середньому на 27-50% коротше генів ссавців. Ці адаптації виникли в процесі раціоналізації геному.
Швидко рухомі птахи є лише одним з найбільш енергетично складних видів, які зазнали раціоналізації геному. У царстві рослин крихітна безкоренева водна рослина Utricularia gibba засмоктує здобич (комах) в мініатюрні пастки за допомогою якоїсь подібності вакуумного насоса. Ця рослина пристосована до хижого способу життя завдяки еволюційному відбору генів, які дозволяють руйнувати складні молекули з допомогою спеціальних ферментів і зберігати структурну цілісність рослини у воді. Надлишкові, менш важливі і непотрібні гени, були загублені.
Попередні приклади істот малого розміру змушують задатися питанням: наскільки рухомим може бути геном? Оскільки геном виду скорочується, вчені можуть з’ясувати, скільки генів здатний втратити вигляд, перш ніж організм втратить здатність до виживання.
Одним з таких організмів, які використовуються в дослідженнях є одноклітинна цианобактерия Prochlorococcus marinus, що мешкає у відкритому океані. Вона оснащується 1,8 млн одиниць ДНК — найменший геномом серед всіх відомих фотосинтезуючих організмів.
Ціанобактерії не здатні створювати багато незамінних молекул, необхідних для виживання. Вони втратили цілі генні шляхи, використовувані для створення амінокислот, необхідних для появи білків. В результаті Prochlorococcus marinus більше не може виживати в природному середовищі без допомоги симбіотичних або інших корисних видів, які забезпечують потреби бактерії в амінокислотах. Без таких помічників виростити Prochlorococcus marinus неможливо навіть в лабораторних умовах. Як варіант — безпосереднє додавання необхідних ціанобактерії амінокислот.
Подібні симбіотичні відносини існують і у комах. Деякі види бактеріального патогена Nardonella зазнали раціоналізації геному, скоротивши його до 230 тисяч одиниць ДНК. В результаті були втрачені всі гени, крім необхідних для синтезу ДНК, та генні шляхи для виробництва тирозину — амінокислоти для створення білків.
Ці бактерії задовольняють майже всі свої метаболічні потреби завдяки життю в довгоносиків. Бактерії допомагають комасі генерувати амінокислоту тирозин, яка створює більш темний і твердий екзоскелет довгоносика. В результаті Nardonella залежить від господаря і натомість дає йому необхідний захист.
Подібно людям, що всі ці види мають структуровану генетичну інформацію, але досліди на даних тварин, рослин і бактерій показали, що для виживання в навколишньому середовищі необхідний далеко не кожен ген. Ми наближаємося до розуміння того, як виникають генетичні адаптації, як втрата генетичної інформації впливає на геноми видів і скільки генів йому потрібно, щоб вижити в унікальних і складних умовах.
Натхнення: www.popmech.ru