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.
- Фізики виявили “секретний соус” екзотичних властивостей нового квантового матеріалу
- Неандертальців згубила любов, а не війна
- Кури почервоніли від емоцій
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