Новое исследование показало, что два вида нематод сохранили удивительно схожие закономерности включения и выключения генов, хотя от общего предка они отделились 20 миллионов лет назад. Результаты опубликованы в журнале Science.
В целом паттерны экспрессии генов могут оставаться неизменными (или, как говорят биологи-эволюционисты, консервативными), но лишь в том случае, когда изменение затрагивает ограниченные типы клеток. Если ген широко экспрессируется во многих тканях по всему организму, сохранить экспрессию повсеместно сложно. Но если экспрессия генов ограничена одним типом клеток или несколькими типами клеток, возможно, организму это удастся.
Когда паттерны экспрессии у двух червей исторически расходились, изменения, скорее всего, происходили в специализированных типах клеток. Например, механизмы экспрессии в клетках, участвующих в таких функциях как сокращения двигательных мышц или перистальтика кишечника, как правило, сохраняются, в то время как паттерны экспрессии в клетках, участвующих в восприятии окружающей среды и реагировании на нее, с большей вероятностью расходятся. Гены, связанные с функционированием нервных клеток, расходятся быстрее — такие изменения жизненно необходимы для адаптации к новым условиям.
В ходе исследования ученые сравнили паттерны у двух обитающих в почве круглых червей, Caenorhabditis elegans и Caenorhabditis briggsae. Оба вида идеально подходят для изучения. Они маленькие, около миллиметра в длину, простые, совершенно прозрачные, состоят к моменту полного развития примерно из 550 клеток. Эти характеристики позволяют ученым наблюдать за делением и жизнедеятельностью их клеток в режиме реального времени, не препарируя червей. Важно отметить, что эти крошечные беспозвоночные делят многие из 20 000 своих генов с более сложными организмами, включая человека.
Все клетки обоих червей были идентифицированы и нанесены на карту. Несмотря на 20 миллионов лет эволюции, у двух организмов сохранилось почти идентичное строение тела и типы клеток, что делает их идеальными объектами для сравнения.
Целью исследования было сравнить экспрессию генов в клетках каждого типа двух нематод, чтобы определить, какие изменения произошли с тех пор, как они отделились от своего общего предка. Для этого исследователи измерили уровни матричной РНК в каждой клетке на различных стадиях эмбрионального развития, используя метод, называемый секвенированием одноклеточной РНК. Матричная РНК (мРНК) передает инструкции по производству белков от активных генов к механизму производства белка в клетке. Высокий уровень гена, управляющего мРНК, указывает на то, что он активен. Низкий уровень означает, что он неактивен.
С помощью метода секвенирования одноклеточной РНК исследователи отслеживали изменения в отдельных клетках во время эмбрионального развития червей, начиная с того момента, когда эмбрион представлял собой шарик из 28 в основном недифференцированных клеток, и заканчивая моментом, когда большинство типов клеток развились в свою почти окончательную форму. Весь процесс занимает около 12 часов.
Мы изучаем эволюционные процессы с 70-х годов прошлого века. Но это первый раз, когда мы смогли сравнить развитие каждой отдельной клетки двух разных организмов. Мы были готовы к тому, что экспрессия некоторых генов сохранится в неизменно виде, учитывая, насколько похожи тела червей. Удивительно, что, изменения, а они за два десятка миллионов лет безусловно произошли, никак не повлияли на идентичность строения тел. Два червячка выглядят как близнецы.
Недавно мы рассказали, как кольчатые черви бросили вызов теории Дарвина.
