Обнаружены миллионы генетических переключателей, повлиявших на эволюцию растений

Фото из открытых источников

Исследователи идентифицировали более 2,3 миллиона древних ДНК-переключателей, сохранившихся у сотен видов растений, некоторые из которых датируются более чем 300 миллионами лет назад. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Это открытие показывает, что генетические инструкции, контролирующие рост растений, сохранились, несмотря на масштабные изменения в геноме, незаметно влияя на эволюцию растений на протяжении глубокого времени.

В сотнях растительных геномов небольшие кластеры регуляторной ДНК неоднократно встречаются рядом с генами, определяющими форму стеблей, листьев и цветков. Сравнивая геномы, Закари Липпман из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) задокументировал, как одни и те же контрольные последовательности сохранялись на протяжении обширных периодов эволюции растений.

Некоторые из этих регуляторных фрагментов оставались связанными с теми же участками генов развития даже после многократного дублирования и перестройки геномов растений. Их устойчивость опровергает давнее убеждение о том, что древние регуляторные сигналы не могли сохраниться в условиях постоянной перетасовки ДНК растений.

На протяжении десятилетий растения казались исключением, поскольку их геномы многократно копировали целые наборы генов и перемещали ДНК в новые позиции. Эти события скрывают регуляторную ДНК — участки, контролирующие включение генов, — поскольку эти последовательности обычно изменяются быстрее, чем гены, кодирующие белки.

Сравнения на животных позволили легче выявить древние элементы управления, благодаря чему их кажущееся отсутствие в растениях стало выглядеть реальным, а не просто упущением. Это предположение объясняет, почему более ранние методы поиска пропускали сигналы, которые всё ещё присутствовали, просто больше не находились в очевидных местах.

Более ранние методы поиска были неэффективны, поскольку геномы растений постоянно копируют, перемещают и перетасовывают большие участки ДНК с течением времени. В рамках данного исследования ученые использовали новый мощный вычислительный инструмент под названием Conservatory для анализа геномов 284 видов растений.

Система отслеживала группы генов, которые оставались близко друг к другу на протяжении эволюции. Изучение этих генных участков помогло исследователям восстановить связь древней регуляторной ДНК с контролируемыми ими генами, даже после миллионов лет геномных изменений.

Ученые обнаружили миллионы древних регуляторных последовательностей, которые оставались скрытыми в сотнях геномов растений. Вблизи генов, определяющих развитие стеблей, листьев и цветков, самые древние последовательности группировались вокруг контрольных точек развития, а не случайных участков ДНК.

Когда исследователи отредактировали последовательности ДНК рядом с генами, отвечающими за формирование структуры тела, у растений развились серьезные аномалии. Поскольку эти изменения нарушили процесс развития, древний код стал активной частью развития, а не обломками, оставленными эволюцией.

Результаты тестов подтверждают основное утверждение исследования, показывая, что некоторые из этих последовательностей по-прежнему влияют на развитие современных растений. Даже когда ДНК растений растягивалась, сжималась или перестраивалась, самые старые консервативные некодирующие последовательности (КНП) сохраняли тот же порядок вдоль хромосомы.

Изменилось расстояние между элементами, но порядок последовательности остался узнаваемым, что говорит о том, что относительное положение имело большее значение, чем точное расстояние между элементами.

Такая закономерность дала эволюции возможность изменять архитектуру генома, не уничтожая при этом сразу же работающую систему контроля. Таким образом, селекционеры и биологи могут перестать рассматривать идеальное расстояние между нуклеотидами как единственный признак сохранения регуляторной последовательности.

После копирования генов древние контрольные области не всегда постигали ту же участь, что и соседний ген. После дупликации гена, когда скопированный ген может впоследствии дивергировать, старые клетки ЦНС часто сохранялись вблизи одной копии и терялись вблизи другой.

«Это помогает объяснить, как возникают новые элементы регулирования», — сказал Липпман.

Такая логика открыла путь к новизне, поскольку эволюция могла модифицировать регуляторный переключатель одной копии гена, в то время как другая сохраняла свой первоначальный контроль.

В селекции сельскохозяйственных культур интерес представляло не только обнаружение старой ДНК, но и понимание того, какие механизмы могут регулировать признаки без перестройки белков.

Изменение управляющей последовательности может повлиять на то, где, когда и насколько сильно действует ген, что может уменьшить нежелательные побочные эффекты. Исследования по одомашниванию растений показали, почему селекционеры часто предпочитают редактировать контрольные регионы, когда гены действуют во многих органах.

Такая предпочтительность делает новый ресурс практичным, поскольку он указывает на переключатели, которые могут более мягко регулировать реакцию на засуху, урожайность или форму растения.

Новый ресурс предоставляет ученым единую карту для всех видов сельскохозяйственных культур и их диких сородичей, вместо отдельных тематических исследований. Поскольку атлас связывает консервативные последовательности с соседними генами, исследователи могут сравнивать целевой ген в сельскохозяйственных культурах с более старыми, унаследованными версиями.

В более широком обзоре регуляторной ДНК растений было высказано предположение, что такие карты необходимы для развития и реакции на окружающую среду. Эта взаимосвязь может помочь заводчикам решить, следует ли корректировать время реакции, активность тканей или силу ответа, прежде чем пытаться внести изменения.

Тем не менее, сохранение последовательности не означает автоматическую полезность редактирования, поскольку некоторые старые сигналы могут иметь значение только для определенных видов.

Лабораторные исследования по-прежнему необходимы для выяснения того, улучшит ли изменение исследуемого участка признак или просто навредит его развитию. Пополнение генома также позволит уточнить картину, поскольку редкие линии могут показать, действительно ли та или иная последовательность сохранилась.

Такая осторожность позволяет сохранить реалистичность результата: атлас открывает новые возможности, но для каждой будущей корректировки данных по-прежнему необходимы веские биологические доказательства.

Растения сохранили эти древние инструкции посредством дублирования, перегруппировки и дивергенции, однако исследование показало, что их основной порядок часто сохранялся. Сочетание выносливости и изменчивости объясняет, как растения сохраняют стабильность основных строений тела, одновременно генерируя новые формы и характеристики.