Как это происходит, можно посмотреть тут (не для слабонервных):
Сегодня у нас с коллегами вышла статья в журнале Nucleic Acids Research, посвященная странностям митохондриальных генов у представителей этой группы. Разобраться нам поможет метафора. Совокупность молекул ДНК какого-то организма можно сравнить с текстом, написанным при помощи алфавита, состоящего из четырех букв (“A”, “T”, “G”, “C”). В этом тексте встречаются отдельные осмысленные “высказывания” – гены, кодирующие белки. Как, например, в поваренной книге – отдельные рецепты, позволяющие изготовить то или иное блюдо.
Митохондрии – это внутриклеточные органеллы, играющие важную роль в клеточном дыхании. Митохондрии умеют делиться, у них своя ДНК (размером около 15000 букв), 13 генов, кодирующих белки (в случае волосатиков).
Теперь представьте, что вы взяли поваренную книгу и читаете рецепт. Он осмысленный – и, следуя ему, можно получить отличную яичницу. Но тут вы замечаете, что. если прочитать его по буквам задом наперед, вы снова получаете рецепт яичницы, причем тот же самый. Далее вы узнаете, что и многие другие рецепты из этой книги тоже так написаны. Это и странно, и удивительно. И именно это мы видим в “поваренной книге” митохондриального генома волосатиков.
“Ура!, - вопите, дети, повару”. Эта фраза читается одинаково слева направо и справа налево (если опустить пунктуацию). Такие фразы называют палиндромами. Важно оговориться, что палиндромы в ДНК, о которых идет речь, имеют немного другое определение. Например, ДНК-палиндромом будет считаться такая последовательность букв: ATTGCAAT. Дело в том, что в двойной спирали ДНК действует принцип комплементарности: напротив А стоит T, напротив G – С. Палиндромная ДНК может сама с собой образовать двойную спираль. В нашем примере (ATTGCAAT) первая буква А комплементарна последней T, вторая Т предпоследней А и так далее. Вот еще один, совсем простой палиндром: GGGGCCCC. Но, как и в случае палиндромов в обычном языке, левая половина высказывания полностью определяет правую.
Оказалось, что большинство митохондриальных генов волосатиков содержат палиндромы, причем порой значительного размера – до 284 букв, без единой ошибки, целиком находящиеся внутри гена. Получается, что на каждый нуклеотид в ДНК таких участков наложено сразу два ограничения: рецепт белка по-прежнему должен быть хорошим, но нуклеотиды в левой и правой его части должны быть “сцеплены”. Мы посмотрели, можно ли найти что-то похожее в уже известных митохондриальных геномах (всего на момент исследования их было прочитано 8952). Оказалось, что отдельные более короткие палиндромы в отдельных генах можно найти и у других видов, но волосатики исключительны в масштабах этого явления – по максимальной длине палиндромов, по их числу и количеству затронутых генов.
На картинке ниже показан палиндром одного из волосатиков: его нуклеотидная последовательность и аминокислотная последовательность кодируемого белка. На рисунке B показано, что бывают участки ДНК, которые являются частью сразу двух палиндромов, и что кодируемые белки не только сходны у разных видов волосатиков (Chordodes, Gordionus, Gordius), но и похожи на родственные белки других организмов.
Разумеется, мы опасались, что все это может быть ошибкой. Наши приборы могли неправильно прочитать ДНК. Уж больно это удивительно. Тогда были проделаны дополнительные эксперименты. Например, можно выделить митохондриальную ДНК из волосатика, нагреть, чтобы двойные спирали развалились на отдельные цепочки, а потом сильно разбавить. К этому раствору добавляем специальные ферменты, которые разрушают одноцепочечную ДНК, но сохраняют двухцепочечную. Палиндромные участки одноцепочечной ДНК образуют двойные спирали сами с собой, поэтому выживают. Остальная ДНК разрушается. Как и предсказывала наша гипотеза, в таких условиях происходило обогащение именно тех участков ДНК, которые были определены как палиндромы. У нас есть и другие основания верить в эти находки (подробности см. в статье).
Всего мы изучили митохондрии четырех видов волосатиков. Многие из палиндромных участков ДНК совпадали между видами. Это значит, они появились давно – у общего предка рассмотренных видов. Интересно, что в самих последовательностях палиндромной ДНК были межвидовые отличия, но на каждое изменение в левой половине палиндрома мы находили изменение в его правой части, сохраняющее идеальное соответствие между ними.
Для чего это может быть нужно? Одна из гипотез заключалась в том, что, когда волосатик находится внутри хозяина, ему нужно меньше дышать, а палиндромы в генах дыхательных белков служат для выключения синтеза соответствующих им белков. Но сравнение дыхательной активности митохондрий, взятых из волосатиков, которые были в воде или в теле хозяина, не выявили каких-то отличий (это не доказывает, что их нет, просто наши методы не позволили это обнаружить).
Нам кажется более правдоподобной версия, согласно которой эти палиндромы сами по себе не нужны ни для чего. Возможно, у волосатиков есть какой-то механизм починки митохондриальной ДНК, который оказался способным удлинять небольшие неидеальные палиндромы и делать их идеальными. Представьте, что в какой-то момент две цепочки митохондриальной ДНК волосатика расплетаются на две одиночные цепи. В каких-то местах у нас есть маленькие палиндромы, возможно, возникшие случайно. Они способствуют тому, что часть одноцепочечной ДНК сама с собой образует двойную спираль. Затем механизм починки ДНК исправляет несовпадения, удлиняя палиндром. Разумеется, все это время продолжает действовать естественный отбор – и, если такое исправление портит ген, то митохондрия оказывается менее жизнеспособной и в итоге не обнаруживается у последующих поколений. Но все безвредные замены в пользу удлинения палиндромов фиксируются. Неидеальные палиндромы становятся идеальными, как показано на втором рисунке.
Но как обстоят дела на самом деле, мы не знаем. В любом случае это удивительная ситуация, когда эволюция вынуждена искать компромиссы: с одной стороны, ген должен кодировать функциональный белок, с другой - есть это странное требование, чтобы нуклеотиды образовывали палиндром. Известно, что один и тот же по функции белок можно получить разными способами, используя разные последовательности ДНК, и в итоге отбираются такие последовательности нуклеотидов, которые подходят сразу по двум параметрам. Похоже, мы недооценивали количество степеней свободы в эволюции белков. В научно-популярной статье «Эволюция, вероятности и «Поле чудес»» я разбирал, почему эти степени свободы важны и как их любят игнорировать креационисты, неправильно рассчитывающие вероятности самопроизвольного получения тех или иных полимерных биологических молекул, лежащих в основе жизни.
Вот такая интересная наука. Большое спасибо огромному числу людей, которые работали над этим проектом на протяжении нескольких лет. Ознакомиться со статьей и списком авторов можно по ссылке. Рисунки я брал из более ранних версий статьи, так как они были наглядней. А новые иллюстрации больше подходят для специалистов.
Kirill V Mikhailov, Boris D Efeykin, Alexander Y Panchin, Dmitry A Knorre, Maria D Logacheva, Aleksey A Penin, Maria S Muntyan, Mikhail A Nikitin, Olga V Popova, Olga N Zanegina, Mikhail Y Vyssokikh, Sergei E Spiridonov, Vladimir V Aleoshin, Yuri V Panchin, Coding palindromes in mitochondrial genes of Nematomorpha, Nucleic Acids Research, , gkz517, https://doi.org/10.1093/nar/gkz517
Комментарии (0)