Учёные из Чикагского университета (University of Chicago), Висконсинского университета в Мадисоне (University of Wisconsin—Madison) и Университета Небраски-Линкольна (University of Nebraska—Lincoln) синтезировали «древнюю» версию одного из генов мушки-дрозофилы и создали новое трансгенное насекомое. В ходе экспериментов на ГМ-организмах они показали, что классическая гипотеза адаптации дрозофилы неверна. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
«Одна из основных целей современной эволюционной биологии состоит в том, чтобы определить, какие гены позволили видам адаптироваться к новой среде. Но это сложно сделать напрямую, потому что мы не можем провести тесты и оценить влияние древних генов на биологию животных», — говорит Мо Сиддик (Mo Siddiq) из Чикагского университета и один из авторов исследования. «Мы поняли, что можем решить эту проблему с помощью двух недавно разработанных методик — статистической реконструкции древних нуклеотидных последовательностей и создания трансгенных организмов», — добавляет он.
До недавнего времени исследователи изучали молекулярные адаптации, анализируя нуклеотидные последовательности. Они пытались выявить «следы отбора» — структуры, наличие которых указывает на быстрое изменение гена, предположительно, в результате естественного отбора. Однако этим методом можно получить только косвенные доказательства, поскольку гены могут быстро эволюционировать по множеству причин — по случайности, из-за колебаний размера популяции или в связи с отбором по признакам, не связанным с условиями среды, к которым приспособился организм.
Сиддик и его научный руководитель Джо Торнтон (Joe Thornton) хотели напрямую оценить влияние эволюции генов на адаптацию. Торнтон стоял у истоков техник реконструкции предковых генов — он статистически определял нуклеотидные последовательности на основе обширных баз данных о строении геномов современных организмов, синтезировал их и анализировал молекулярные свойства полученных генов в лаборатории. Эта стратегия помогла прояснить важные механизмы эволюции биохимических функций.
Торнтон и Сиддик предположили, что с помощью реконструкции предковых генов и генной инженерии удастся выяснить, как изменение генома повлияло на организм в целом: на его развитие, физиологию и приспособленность. «Эту методику создания «древней версии» животных можно применять при изучении разных аспектов эволюции, — говорит Торнтон. — Для первого эксперимента мы выбрали классический пример адаптации — плодовую мушку, которая в процессе эволюции приобрела способность переносить высокие концентрации алкоголя, содержащиеся в гниющих фруктах. Мы обнаружили, что широко распространённая гипотеза о механизмах эволюции плодовых мушек просто-напросто неверна».
Плодовая мушка Drosophila melanogaster — один из основных модельных организмов генетики и биологии развития. В дикой природе D. melanogaster питается продуктами брожения плодов. Она способна переносить более высокие концентрации алкоголя, чем её ближайшие родственники, которые потребляют другую пищу. Двадцать пять лет назад биологи Чикагского университета Мартин Крейтман (Martin Kreitman) и Джон Макдональд (John McDonald) разработали новый статистический метод выявления следов отбора, который по сей день остаётся одним из наиболее широко используемых методов в области молекулярной эволюции. Они продемонстрировали его на примере гена алкогольдегидрогеназы (Alcohol dehydrogenase, ADH). Этот ген кодирует фермент, который расщепляет этанол в клетках. В нуклеотидной последовательности ADH обнаружили следы отбора, кроме того было известно, что D. melanogaster расщепляют алкоголь быстрее, чем их родственники. Поэтому учёные выдвинули гипотезу о том, что кодируемый ADH фермент помог мушке приспособиться к высоким концентрациям алкоголя. Это был первый признанный научным сообществом случай, когда специфический ген повлиял на адаптивную эволюцию вида.
Исследователи поняли, что эту гипотезу можно проверить с помощью новых технологий. Сначала Сиддик смоделировал нуклеотидную последовательность гена до и после того, как D. melanogaster приобрела толерантность к этанолу, около 2—4 миллионов лет назад. Он синтезировал эти гены, инициировал экспрессию и проверил способность полученных белков расщеплять алкоголь в пробирке. Результаты оказались неожиданными: изменения, которым геном плодовой мушки подвергся в процессе эволюции, не оказывали существенного влияния на работу протеина.
Затем Сиддик и его коллеги Дэвид Лойлен (David Loehlin) из Висконсинского университета в Мадисоне и Кристи Монтут (Kristi Montooth) из Университета Небраски-Линкольна встроили предковую форму ADH в геном плодовых мушек. Они вывели тысячи таких организмов и в ходе экспериментов выяснили, насколько быстро насекомые расщепляют этанол и как долго могут прожить, если кормить их пищей с высоким содержанием алкоголя. Удивительно, что трансгенные мушки с более древней формой ADH перерабатывали этанол не хуже, чем ГМ-насекомые с «последней версией» гена. Более того, они тоже могли расти и размножаться при высоких концентрациях алкоголя. Таким образом, предсказания классической гипотезы не оправдались. Нет никаких сомнений в том, что D. melanogaster приспособилась к богатой алкоголем пище в процессе эволюции, но, судя по всему, изменения алкогольдегидрогеназы с этим не связаны.
«Гипотезу о влиянии ADH приняли потому, что экология, физиология и статистические следы селекции указывали в одном направлении. Но косвенные доказательства не означают, что предположение обязательно верно, — говорит Торнтон. — Вот почему теперь, когда технологии дали нам такую возможность, мы хотели непосредственно проверить эту гипотезу». Учёные надеются, что новая техника получения организмов с более древними версиями генов станет золотым стандартом и поможет точно определить, какие генетические изменения повлияли на биологию и приспособленность организмов.