Вы наверняка слышали о глубинах космоса, но как насчет глубин времени? Современные генетики и биологи-эволюционисты могут заглянуть в прошлое дальше, чем когда-либо. Тем не менее многие тайны остаются неразгаданными. Одна из них десятилетиями ставила биологов в тупик. Как у растений, так и у животных последовательности и функции генов часто сохраняются на протяжении сотен миллионов лет. Однако это правило не работает при сравнении регуляторной ДНК, которая контролирует активность генов. И никто не мог точно сказать, сохраняется ли регуляторная ДНК у растений вообще. Дошло до того, что многие стали считать, что ее просто не существует.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Лабораторией Колд-Спринг-Харбор (CSHL), выявило более 2,3 миллиона регуляторных последовательностей ДНК, сохранившихся в 314 геномах растений 284 видов. Эти «консервативные некодирующие последовательности» (КНП) были идентифицированы с помощью нового вычислительного инструмента под названием Conservatory. Команда исследователей обнаружила, что некоторые из этих КНП появились еще до того, как цветковые растения отделились от своих нецветковых предков более 400 миллионов лет назад.
Ключевой задачей исследователей было изучить и сравнить порядок и состав всех групп генов в мельчайших подробностях, от одного предка к другому, на сотнях геномов. Анат Хендельман, один из первых авторов исследования, был поражен тем, как много обнаруженных КНП существовало всегда. «Анализ и генетическое редактирование КНП подтвердили, что они необходимы для функций развития», — говорит Хендельман.
Исследование выявило 3 основных принципа эволюции центромерных последовательностей у растений. Во-первых, несмотря на то, что расстояние между этими последовательностями варьируется, порядок их расположения на хромосоме сохраняется. Во-вторых, при перестройке генома центромерные последовательности начинают ассоциироваться с другими генами. Наконец, древние центромерные последовательности, как правило, сохраняются при дупликации генов, что является важнейшей особенностью эволюции генома и семейств генов у растений.
«На самом деле это была одна из причин, по которой не удавалось обнаружить регуляторные последовательности с помощью тех же методов, что и у животных, — объясняет Липпман. — Мы не просто нашли регуляторные последовательности с помощью инновационного подхода. Мы обнаружили, что новые регуляторные последовательности часто происходят от старых, которые были модифицированы после дупликации генов. Это помогает объяснить, как появляются новые регуляторные элементы».
Благодаря проекту Conservatory биологи, изучающие растения, теперь могут получить доступ к тому, что исследователи называют «полным атласом регуляторной консервации растений, включая десятки сельскохозяйственных культур и их диких предков».
Это огромный ресурс для селекционеров, стремящихся решить такие серьезные проблемы, как засухи и нехватка продовольствия. Но его применение выходит далеко за рамки сельского хозяйства. По словам Липпмана, это «новое окно в эволюцию жизни на протяжении геологических эпох и возможность более эффективно изменять или совершенствовать свойства сельскохозяйственных культур».
[Фото: Zachary Lippman/CSHL]
