Исследование: более быстрые темпы эволюции связаны с крошечными геномами

Внутри каждой клетки находится геном - полный набор ДНК, содержащий инструкции по построению организма. Во всем биологическом мире геномы демонстрируют ошеломляющее разнообразие размеров. Например, геном японского белого цветка Paris japonica составляет более 150 млрд пар оснований, что означает, что в каждую клетку втиснуто почти 100 метров ДНК. Для сравнения, одноклеточные прокариоты, как и бактерии, имеют крошечные геномы, в среднем менее 5 млн пар оснований. У некоторых прокариот геномы даже меньше, чем 500 тыс. пар оснований. Но ученые до сих пор не до конца понимают движущие силы, ответственные за уменьшение размера геномов.

Теперь, в рамках международного сотрудничества под руководством Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) и Сиднейского университета, включая исследователей из Университета Рюкю, Токийского технологического института и RIKEN, ученые обнаружили связь между частотой мутаций - как быстро изменяется последовательность ДНК - и размером генома. Исследователи доказали, что прокариоты с более высокой частотой мутаций теряют гены быстрее и, следовательно, имеют меньшие геномы.

«Это был действительно удивительный результат», - сказал профессор Том Бургиньон, соавтор исследования и руководитель отдела эволюционной геномики в OIST. «В настоящее время наиболее распространена идея о том, что размер популяции является основным фактором, определяющим размер генома прокариот, особенно эндосимбионтов, но наши исследования оспаривают эту точку зрения».

Эндосимбионты - это организмы, которые живут внутри тел или клеток других организмов и, как правило, имеют гораздо меньшие геномы, чем их свободноживущие аналоги. Подразделение эволюционной геномики исследует эндосимбионта под названием Blattabacterium, бактериальный вид, который живет внутри тараканов и термитов и обеспечивает своих хозяев жизненно важными азотсодержащими питательными веществами. Но лишь небольшое количество этих бактерий передается от материнского насекомого-хозяина к дочернему насекомому-хозяину, что удерживает их эффективный размер популяции очень низким.

«При небольших размерах популяции естественный отбор гораздо менее эффективен, а эволюция в большей степени зависит от случая», - сказал доктор Юкихиро Киндзо, соавтор и научный сотрудник отдела эволюционной геномики. «Без достаточного давления отбора для поддержания определенных генов могут возникнуть неактивные мутации, которые разрушают эти гены, что в конечном итоге приводит к их полной потере из генома».

Хотя размер популяции как движущая сила сокращения генома может быть привлекательной идеей, многие свободноживущие прокариоты, которые живут в более крупных популяциях, также развили меньшие геномы, что позволяет предположить, что это только часть истории. Были также предложены дополнительные объяснения, но до сих пор не учитывалась скорость мутаций - или скорость, с которой происходит эволюция.

В рамках исследования ученые собрали данные о геноме различных прокариот, включая штаммы двух эндосимбиотических линий и семи свободноживущих линий.

Для каждой линии команда построила эволюционное дерево, которое показало, как эти штаммы расходились друг от друга. С помощью отдела биологической сложности OIST, возглавляемого профессором Симоне Пиголотти, ученые затем создали модели, которые реконструировали, как потеря генов произошла в каждом штамме. Затем они оценили скорость мутаций, размер популяции и давление отбора для каждого штамма и сравнили его с величиной потери гена.

Удивительно, но ученые не обнаружили четкой связи между предполагаемым размером популяции и скоростью потери генов. Вместо этого они обнаружили связь между скоростью мутаций и потерей генов для семи из девяти изученных линий, причем более высокая частота мутаций связана с более высокой скоростью потери генов, что приводит к меньшему размеру генома.

«Хотя мы не установили причину, есть теоретическое предсказание, объясняющее это наблюдение; если скорость мутации перевешивает давление отбора для поддержания гена, ген будет утерян из генома», - сказал доктор Кинджо.

В целом, результаты работы проливают новый свет на эволюцию малых геномов, побуждая переосмыслить нынешнюю доминирующую идею сокращения генома, обусловленную малым размером популяции, пишет EurekAlert.