"Эволюцию без мутаций" впервые обнаружили у прокариот
У прокариот (одноклеточных микроорганизмов, не имеющих ядра) впервые обнаружено эпигенетическое наследование. Столь необычный подарок биологам преподнесли археи, живущие в горячей кислоте геотермальных источников Йеллоустона.
Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале PNAS группой исследователей из Университета Небраски в Линкольне во главе с Полом Блумом (Paul Blum).
Напомним в двух словах, что такое эпигенетика. Большая часть информации, унаследованной человеком от родителей, "записывается" в генах. Из-за мутаций, которые накапливаются в клетках по мере жизни организма, она изменяется. Но есть в природе механизмы, которые меняют работу генов, не меняя "записей" в них самих, причём эти изменения тоже передаются по наследству. Такие механизмы и называются эпигенетическими. И авторы "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) не раз о них рассказывали.
Наиболее известный эпигенетический механизм – это метилирование ДНК, или присоединение к генам метильных групп (CH3).
Эпигенетические изменения обратимы. Организм может не только модифицировать работу генов, но и "вернуть всё как было". Для живых существ эпигенетика – один из нескольких способов ответить на вызовы окружающей среды без внесения изменений в ДНК.
Как утверждается в пресс-релизе нового исследования, до сих пор этот механизм был обнаружен только у эукариот, то есть организмов, клетки которых имеют ядра (напомним, что ДНК этих живых организмов хранится именно в ядре). К ним относятся все многоклеточные, а также большая группа одноклеточных.
Бактерии и их близкие родственники археи не имеют в своей клетке ядра и относятся к прокариотам. И у них, соответственно, эпигенетическое наследование ещё никогда не обнаруживалось.
Команда Блума изучала вид Sulfolobus solfataricus. Он относится к археям и обитает в горячих кислотных источниках супервулкана Йеллоустон. Биологов интересовало, как этот организм получил устойчивость к кислоте (то есть фактически научился выживать в суровых условиях такой необычной среды).
Исследователи подвергали археи вида S. solfataricus искусственному отбору на выживаемость в кислой среде. Несколько лет экспериментов позволили им вывести три штамма, которые были в 179 раз более устойчивы к кислоте, чем их предки из естественных горячих источников.
"Мы полагали, что они будут мутировать, а мы будем следить за мутациями, и это покажет нам, что вызвало сильную кислотоустойчивость, – говорит Блум. – Но мы обнаружили нечто другое".
У одного штамма ДНК не изменилась вовсе (по сравнению с предковыми формами). Два других имели мутации в разных участках генома, которые сами по себе никак не влияют на устойчивость к кислоте.
Исследователи сделали вывод, что новая черта была приобретена в результате не генетических, а эпигенетических изменений. Другими словами, у выведенных биологами штаммов S. solfataricus за устойчивость к кислоте отвечают те же гены, что и у их "диких" предков. Однако изменился способ работы (экспрессии) этих генов.
Авторы проверили это, заменив у "подопечных" штаммов эти участки генома на их "естественные аналоги", взятые у архей-предков. Получилась та же самая молекула ДНК с точки зрения последовательности генов, однако эпигенетические надстройки над ней были утрачены. Вместе с ними штаммы потеряли и свою дополнительную устойчивость к кислоте, выработанную в экспериментах биологов. Этот показатель вернулся к начальному уровню.
Как отмечают исследователи, доказательство эпигенетического наследования у архей – очень важное достижение. Подобная клетка устроена гораздо проще эукариотической, поэтому может послужить хорошей моделью для изучения эпигенетики. Последнее же имеет значение не только для фундаментальной биологии, но и для медицины.
Кроме того, открытие ставит ряд новых вопросов. Эпигенетические механизмы были унаследованы эукариотами и археями от общего предка или же развились независимо? Если верно первое, то сохранились ли такие механизмы и у бактерий или были ими утрачены?
По словам Блума, поиск различий между археями и бактериями интересен, в частности, потому что археи, насколько сейчас известно, не бывают болезнетворными (но и не боятся антибиотиков). Если верно, что эпигенетические механизмы, которые есть у архей, отсутствуют у бактерий, это может стать ключом к такому важному различию.
Однако об этом пока говорить преждевременно. Во-первых, не исключено, что в будущем эпигенетические системы найдутся и у бактерий (ведь ещё недавно казалось, что их нет и у архей). Во-вторых, между этими двумя царствами живых организмов достаточно различий и без эпигенетики.
Напомним, что ранее "Вести.Наука" писали об эпигенетической версии знаменитой технологии редактирования генома CRISPR и о том, как кишечные бактерии регулируют работу наших генов с помощью эпигенетических механизмов.
Не оставляем без внимания мы и биологическую экзотику Йеллоустона. Так, учёные рапортовали о тайнах структуры примечательного вируса, о новой линии архей и микробе, способном выжить на Марсе.
