Древние хромосомные комбинации и сегодня всё ещё управляют эволюцией

Фото из открытых источников

Новое исследование, проведенное учеными из Висконсинского университета в Мадисоне, предоставляет первые эмпирические доказательства связи между расположением генов на хромосомах и естественным отбором, указывая на то, что расположение генов может влиять на то, насколько быстро популяции могут адаптироваться к быстрым изменениям окружающей среды.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, анализируются геномы трёх видов веслоногих рачков-близнецов (видовой комплекс Eurytemora affinis), чтобы проследить, как определённые мутации, называемые слияниями хромосом, изменяют расположение генов в ходе эволюции этих крошечных водных ракообразных. Исследовательская группа с удивлением обнаружила, что, хотя эти слияния произошли миллионы лет назад, они оказывают влияние на способность современных видов к адаптации.

До последних 80 лет эти веслоногие рачки обитали преимущественно в прибрежных эстуарных экосистемах. В последнее время эти ракообразные проникли в пресноводные экосистемы, такие как Великие озёра, в результате транспортировки и сброса балластных вод с судов. Кэрол Ынми Ли, профессор интегративной биологии в Университете Висконсин-Мэдисон, более 20 лет изучает генетику веслоногих рачков, чтобы понять, как они адаптируются и процветают в новых условиях.

Короткая продолжительность жизни и относительно небольшой геном веслоногих рачков делают их идеальным модельным организмом для исследования этих вопросов. Тем не менее, исследователю-постдокторанту Чжэньюну Ду потребовалось почти три года, чтобы секвенировать геномы и картировать, как слияния хромосом перемещают гены, чтобы выявить закономерности естественного отбора. Работа также показала, что у каждого вида-близнеца совершенно разное количество хромосом.

«Мы были в полном шоке», — говорит Ли.

Эти три вида-близнеца, или клады, веслоногих рачков имеют общего предка и могут скрещиваться друг с другом, что редко встречается у организмов с разным числом хромосом, объясняет Ду, соавтор статьи вместе с Ли. У европейской клады 15 хромосом, а у клады Мексиканского залива — семь. В то же время у атлантической клады, которая теперь также обитает в Великих озёрах, всего четыре хромосомы.

Ду и Ли сразу же решили разобраться, почему эти родственные виды упаковали свои гены настолько по-разному.

«Мы изучили эволюционную историю хромосом и обнаружили, что слияния объединяют несколько хромосом», — говорит Ду.

Слияние хромосом — объединение разных хромосом в одну — представляет собой тип мутаций, который может происходить постоянно. Этот процесс может объединять гены из разных хромосом в одну, физически связывая их как потенциальную единицу наследования в ходе естественного отбора.

Ду и Ли начали задаваться вопросом, были ли слияния, приводящие к различному числу хромосом, полезными для выживания и, следовательно, поддерживались естественным отбором в прошлом.

«В ходе эволюционной истории этих веслоногих рачков соленость была основным фактором, определяющим условия их жизни», — объясняет Ду.

Одним из основных механизмов, используемых веслоногими рачками для адаптации к изменениям солёности, являются белки, называемые переносчиками ионов. Ду и Ли обнаружили, что эти древние хромосомные слияния привели к группировке генов, кодирующих ключевые переносчики ионов.

Они заметили, что эти слияния также привели к перемещению групп генов от склонных к рекомбинации плеч хромосомы ближе к ее центру, где рекомбинация не будет разрушать комбинации полезных вариантов генов.

Гены часто подвергаются рекомбинации – процессу, происходящему при обмене ДНК во время деторождения и обеспечивающему новые комбинации генетического материала у потомства. Рекомбинация способствует созданию генетического разнообразия, способствующего выживанию вида. Иногда эти слияния настолько полезны, что становятся постоянными в процессе эволюции.

Ученые годами выдвигали гипотезу о том, что эволюция геномной архитектуры, в частности, слияния хромосом, может играть важную роль в эволюционной адаптации. Это первое исследование, предоставившее эмпирические доказательства этой связи. Исследование исследователей из Вашингтонского университета показывает, что по мере эволюции веслоногих рачков естественный отбор, по-видимому, благоприятствовал слияниям, которые перемещали эти гены-переносчики ионов к центру хромосом.

Что важно, результаты также свидетельствуют о том, что места слияния, возникшие миллионы лет назад, по-прежнему являются очагами естественного отбора в инвазивных популяциях Великих озер.

Хотя это исследование сосредоточено на веслоногих рачках, Ду и Ли ожидают, что его результаты окажут влияние на то, как учёные рассматривают эволюцию генетической архитектуры и механизмы адаптации у других инвазивных видов. Кроме того, они могут быть полезны для прогнозирования того, какие популяции смогут выжить и адаптироваться к будущим изменениям климата.

«Архитектура генома, вероятно, оказывает глубокое влияние на то, как популяции реагируют на естественный отбор. Она влияет на механизм естественного отбора в популяции и определяет, насколько быстро она может эволюционировать и реагировать», — говорит Ли.