Исследователи Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) совместно с учеными Института цитологии РАН (ИНЦ РАН) изучили, как в ходе эволюции появляется новый репродуктивный белок LOSP у беломорских моллюсков Neritrema. При этом авторам удалось показать редкий биологический процесс - “рождение” нового гена. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Gene, они позволяют ученым приблизиться к пониманию того, как появились гены современных живых организмов.

Визуализация исследования генов

Визуализация исследования генов

 

Сегодня учеными описаны сотни тысяч генов различных видов живых организмов. Большинство из них имеет известные науке гомологи – схожие между собой гены. С их помощью мы можем проследить эволюционную историю генов, но это не открывает путь к пониманию того, как именно они появились. Многие новые гены появляются в результате дупликации, т.е. появления копии, с последующими изменениями этой новой копии за счет случайных мутаций. Часто такие гены берут своё начало ещё от общего предка (Last Eukaryotic Common Ancestor; LECA).

Однако иногда гены могут появляться буквально «на пустом месте», поэтому ученые назвали их генами-сиротами (orphan genes). Они появляются в результате эволюции отдельной родственной группы организмов, вне которой ученые не могут обнаружить гомологи генов-сирот. Некоторые из этих генов представляют пример редкого события – появления нового гена в эволюции, которого не было у предков. Поэтому они представляют интерес для изучения: механизмы появления новых генов, как и всего принципиально нового в эволюционном процессе, все еще слабо изучены.

“Ранее мы обнаружили белок LOSP, который транслируется с гена-сироты, у двух криптических (т.е. внешне почти неотличимых) видов беломорских моллюсков рода Littorina. Этот белок в больших количествах нарабатывается в репродуктивных клетках самцов моллюсков и, по-видимому, важен для их размножения. Мы смогли подробно описать его структуру и особенности экспрессии. Несмотря на то что он специфично нарабатывается в определённом типе репродуктивных клеток, нам не удалось установить его функцию. Для него неизвестно гомологов в базах данных. Его эволюционное происхождение и влияние на эволюцию моллюсков этого рода представляются крайне интересными для изучения“, – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории регенеративной биомедицины ИНЦ РАН Арсений Лобов.

Для проведения исследования на первом этапе авторы собрали материал моллюсков шести видов: пяти видов Neritrema и одного вида Littorina – оба относятся к одному роду моллюсков Littorina. В общей сложности было изучено более 200 моллюсков, для которых исследователи получили последовательность мРНК losp. Для лучшего понимания ее структуры авторы также провели расшифровку всех транскриптов в клетках репродуктивных тканей нескольких видов моллюсков из обоих подродов при помощи секвенирования нового поколения (NGS).

Оказалось, что большая часть белка LOSP присутствует только у видов подрода Neritrema, в то время как у изученного вида подрода Littorina был обнаружен лишь небольшой фрагмент этого белка. Ученые предположили, что эти повторы появились вследствие горизонтального переноса (т.е. генетический материал, полученный не от предка, а от другого организма “горизонтально”), и провели поиск гомологов повторов LOSP в геномах бактерий, обнаруженных в микробиоме, “живущими” рядом с этими моллюсками в природе. В результате удалось обнаружить гомологи этого фрагмента в геноме бактерии Pseudodesulfovibrio

Наконец, когда авторы изучили структуру гена losp, они обнаружили ряд особенностей, указывающих на то, что изначально этот ген появился из некодирующей ДНК. Исходный вариант гена представлен у подрода Littorina. Затем в ходе формирования подрода Neritrema в этот ген встроились повторы, изначально имеющие бактериальное происхождение. В результате появился белок-кодирующий ген, который, по мнению авторов, участвует в половом размножении этих моллюсков. Причем он существенно различается между близкими видами подрода Neritrema и потенциально участвует в поддержании репродуктивной изоляции между ними.

Старший научный сотрудник лаборатории регенеративной биомедицины ИНЦ РАН Арсений Лобов

Старший научный сотрудник лаборатории регенеративной биомедицины ИНЦ РАН Арсений Лобов

 

“Наши данные показывают, как может происходить появление нового гена. Причем речь идет не о горизонтальном переносе готового гена бактерий или эволюции уже работающего гена, а о сборке нового гена из некодирующих фрагментов генома. Как и многие такие исследования, оно оставляет больше вопросов, чем дает ответов. Какова функция LOSP в репродукции этих моллюсков? Почему у одних видов Neritrema он подвержен стабилизирующему отбору, а у других он эволюционирует с необычайно высокой скоростью? И, наконец, самый главный вопрос: как появление этого гена повлияло на эволюцию моллюсков рода Littorina?“ – поясняет Арсений Лобов.

В будущем ученые планируют провести функциональные эксперименты и выявить белок-партнер LOSP в репродуктивной системе самок этих моллюсков.

В исследовании принимали участие исследователи из СПбГУ и ИНЦ РАН. Исследования были поддержаны грантом Российского научного фонда (№ 19-14-00321).

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой Института цитологии Российской академии наук