В книге Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье» главная героиня и Черная Королева бегут без остановки, но остаются на одном месте. «Нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на том же месте», – объясняет Королева. Этот принцип, известный как гипотеза Черной Королевы, давно используется для описания эволюционного противостояния между видами, например, между хозяином и атакующими его паразитами. Однако, как показывают новые исследования, эта гонка вооружений происходит и гораздо ближе – внутри нашего собственного генома.
Далеко не вся ДНК в организме безропотно трудится на благо клетки. Некоторые ее участки, называемые мобильными генетическими элементами, ведут себя «эгоистично». Они способны копировать себя или вырезать из одного места и вставляться в другое, что порой приводит к повреждению важных генов. В ответ на это клетки выработали молекулярные защитные механизмы, которые обнаруживают и обезвреживают этих внутренних «саботажников». Этот постоянный конфликт поднимает давний вопрос: как одни из самых важных и стабильных процессов в живой клетке могут зависеть от белков, которые вынуждены стремительно меняться, чтобы противостоять генетическим угрозам?
Чтобы найти ответ, команда биологов под руководством Мии Левин из Пенсильванского университета изучила плодовых мушек вида Drosophila melanogaster. Ученые сосредоточились на генах, отвечающих за создание теломер – защитных «колпачков» на концах хромосом, которые сама Левин сравнивает с пластиковыми наконечниками на шнурках. Результаты их работы, опубликованные в журнале Science, демонстрируют, что, хотя основная функция этих белков – защита концов хромосом – остается неизменной, сами белки постоянно эволюционируют для борьбы с эгоистичной ДНК.
Концы хромосом должны быть надежно защищены от слипания, так как подобный сбой может вызвать генетическую нестабильность, проблемы с фертильностью и даже гибель клетки или всего организма. Для предотвращения этого шесть различных белков объединяются в единый комплекс, который связывается с ДНК теломер. Среди этих шести белков два – HipHop и его партнер HOAP – выделяются особенно быстрыми темпами эволюции, при этом оба абсолютно необходимы для защиты хромосом. Это первый взгляд на то, как жизненно важный белковый комплекс сохраняет свою древнюю функцию, в то время как его компоненты находятся под мощным эволюционным давлением.
Исследователи провели эксперимент, чтобы проверить, должны ли эти белки эволюционировать вместе. С помощью инструментов генного редактирования они заменили белок HipHop у мушки D. melanogaster на его аналог от близкородственного вида D. yakuba. Результат оказался драматичным: мушки с «чужим» белком не выжили, а в их клетках наблюдалось массовое слияние концов хромосом. Однако ученым удалось «оживить» мушек, вернув все на свои места. Для этого потребовалось либо изменить всего шесть аминокислот в «чужом» белке HipHop, либо добавить к нему его «родного» партнера HOAP из вида D. yakuba. Это доказывает, что белки вынуждены адаптироваться вместе.
Пока до конца не ясно, как именно эгоистичные участки ДНК влияют на работу этих белков-защитников. Однако, по словам Мии Левин, схожие эволюционные признаки, обнаруженные у приматов, позволяют предположить, что такая компенсаторная эволюция широко распространена в природе. Ее дальнейшее изучение может прояснить, как геномы сохраняют свои древние функции, постоянно приспосабливаясь к меняющимся внутренним угрозам.
