Як мутації формують ознаку
Автор: Кирило Стасевич
Формування ознаки визначається щонайменше двома силами — взаємовпливом генів, через що необхідні мутації концентруються в строго певній групі генів і коеволюцією організмів, коли від «волі» одного залежить, скільки мутацій в геном отримає інший.
Скільки генів становить ознаку? Питання, яке не поступається за складністю середньовічному «Скільки демонів вміститься на кінчику голки?». Втім, гени та ознаки мають більше відношення до нашого повсякденного життя, ніж середньовічні езотеричні завдання. Досягнення молекулярної біології та генетики ясно дали зрозуміти, що ген не завжди тотожний ознакою, як ми звикли його розуміти. Наприклад, колір очей - це типова ознака, але колір очей може залежати від роботи кількох генів, частина з яких виробляє ферменти для синтезу пігменту, а частина управляє генами ферментів-виконавців.
Відповідність між генами та ознаками цікавить біологів з низки причин. З одного боку, це причини суто практичного характеру: коли ми бачимо якусь ознаку спадкової хвороби, необхідно знати, скільки та які гени за неї відповідають. З іншого боку, є фундаментальне питання — зрозуміти, як відбувається формування ознак в еволюції. Вирішуючи завдання, які ставить перед ним середовище, організм може піти одним із двох шляхів — або вдосконалювати, налаштовувати, підтягувати вже наявні ознаки, або зробити, як то кажуть, хід конем і сформувати нову ознаку. У такому разі питання дещо змінюється і виглядає як «Скільки мутацій формують ознаку?».
Дві статті, що вийшли одночасно в журналі Science, намагаються розгадати сили, які відповідають за виникнення нових ознак. У першій дослідники з університету Мічігану(США) розповідають, як вони намагалися змусити фаг лямбда знайти новий спосіб проникати у бактеріальну клітину. Цей вірус вражає кишкову паличку, потрапляючи в неї за допомогою особливого рецептора на поверхні клітинної стінки, званого LamB. Дослідники зробили так, що бактерія перестала синтезувати цей рецептор і розселили вірус по 96 колоніям таких модифікованих бактерій. Їх цікавило, як і за який час вірус зможе подолати труднощі, що виникла, і знайде новий спосіб проникнути в клітину. Дійсно, в 25% випадків паразит знайшов обхідний шлях у вигляді іншого бактеріального поверхневого білка, OmpF. За 12 днів у вірусному білку J виникли чотири мутації: зазвичай J-білок потрібен для посадки на LamB-рецептор, але будучи озброєний чотирма мутаціями, він стає здатний пов'язувати OmpF-рецептор.
Однак сама бактерія не залишається осторонь. Виявилося, що в неї може виникати мутація, що змінює трансмембранний канал, який взагалі закриває шлях у клітину. У цьому випадку мутації у вірусному білку в буквальному значенні зупиняються за крок до вирішення завдання: отримавши три мутації з чотирьох, вірус ніби розуміє, що умови змінилися, і перестає трансформуватися. Очевидно, формування ознаки тут жорстко підпорядковане коеволюції двох видів, яку можна порівняти з парним танцем: якщо бактерія робить крок, вірус робить чотири, але якщо бактерія робить ще один крок, то вірус відповідає трьома, після чого відступає.
У випадку з бактеріофагом для нової ознаки (здатності проникати в клітину) вистачило всього чотирьох мутацій в одному гені, що не дивно з огляду на відносну простоту організації вірусу. На бактеріальному рівні масштаби вже зовсім інші. Дослідники з Каліфорнійського університету в Ірвайні (США) спробуваливиробити термостійкість у кишкової палички Escherichia coli Протягом року дослідники вирощували 115 бактеріальних колоній при 422 ˚C. Температура впливає на багато процесів в організмі, тому вчені сподівалися побачити значні зміни в геном е. З'ясувалося, що у тих бактерій, що вижили в таких умовах, з'явилася 1331 мутація, розподілена по більш ніж 600 сайтів в ДНК. Але всі ці мутації та їх сайти виявилися належать двом напрямкам: зміни в одному з них стосувалися білкової машини, що синтезує РНК; зміни у другому відбувалися в rho-білку, що контролює завершення синтезу РНК. Дуже рідко бактерія поєднувала ці дві групи змін. Однак трансформації в кожній із білкових машин супроводжувалися мутаціями в якихось додаткових генах, які залежали від головної цільової групи.
Чому мутації саме цих двох груп генів допомагають кишковій паличці виживати за високої температури? Чому вони роблять це нарізно? Це вченим тільки доведеться з'ясувати. Поки що ж на основі описаних робіт можна зробити висновок про те, як відбувається формування нової ознаки. Безліч мутацій вкидаються в більш менш чітко окреслену групу генів, причому вони знаходяться під сильним впливом інших мутацій через взаємозв'язаність генів і залежать від паралельних змін в інших організмах, як у випадку вірусу і бактерії. Є, звичайно, ціла група ознак, яка виникає через одну-дві мутації, але такі ознаки в більшості випадків виявляються хвороботворними і до еволюційного успіху явно не призводять.