Исследование, ранее опубликованное в журнале Nature Ecology. Эволюция 13 января — важный шаг вперед в усилиях по изучению генетической основы адаптации и эволюции. Конкретные открытия, касающиеся способности плодовой мушки расщеплять алкоголь в гниющих фруктах, опровергают широко распространенную гипотезу о молекулярных причинах одного из классических случаев адаптации эволюционной биологии.
«Одна из основных целей современной эволюционной биологии — выявить гены, которые заставили виды адаптироваться к новой среде, но это было трудно сделать напрямую, потому что у нас не было возможности проверить влияние древних генов на биологию животных. — сказал Мо Сиддик, аспирант факультета экологии и эволюции Чикагского университета, один из ведущих ученых исследования.«Мы поняли, что можем решить эту проблему, объединив два недавно разработанных метода — статистическую реконструкцию последовательностей древних генов и конструирование трансгенных животных», — сказал он.
До недавнего времени в большинстве исследований молекулярной адаптации анализировались последовательности генов, чтобы определить «признаки отбора» — паттерны, предполагающие, что ген изменялся так быстро во время своей эволюции, что, вероятно, причиной был отбор. Однако доказательства этого подхода являются лишь косвенными, поскольку гены могут быстро развиваться по многим причинам, таким как случайность, колебания в размере популяции или отбор функций, не связанных с условиями окружающей среды, к которым, как считается, организм адаптировался.Сиддик и его советник Джо Торнтон, доктор философии, профессор экологии, эволюции и генетики человека в Чикагском университете, хотели напрямую проверить влияние эволюции гена на адаптацию. Торнтон первым изобрел методы реконструкции наследственных генов — статистическое определение их последовательностей из больших баз данных современных последовательностей, затем их синтез и экспериментальное изучение их молекулярных свойств в лаборатории.
Эта стратегия позволила глубже понять механизмы, с помощью которых развиваются биохимические функции.Торнтон и Сиддик пришли к выводу, что, комбинируя реконструкцию наследственных генов с методами конструирования трансгенных животных, они могут изучить, как генетические изменения, произошедшие в глубоком прошлом, повлияли на целые организмы — на их развитие, физиологию и даже на их приспособленность.«Эта стратегия создания« предков животных »может быть применена ко многим вопросам эволюции», — сказал Торнтон. «В качестве первого тестового примера мы выбрали классический пример адаптации — как плодовые мушки развили способность выживать в высоких концентрациях алкоголя, обнаруженных в гниющих фруктах.
Мы обнаружили, что общепринятое мнение о молекулярных причинах эволюции мух просто неверно. . "Плодовая муха Drosophila melanogaster — один из наиболее изученных организмов в области генетики и эволюции. В дикой природе D. melanogaster живет в богатых алкоголем гниющих фруктах, терпя гораздо более высокие концентрации алкоголя, чем его ближайшие родственники, питающиеся другими источниками пищи.
Двадцать пять лет назад в Чикагском университете биологи Мартин Крейтман и Джон Макдональд изобрели новый статистический метод обнаружения признаков отбора, который по сей день остается одним из наиболее широко используемых методов молекулярной эволюции. Они продемонстрировали это на гене алкогольдегидрогеназы (Adh) — гене фермента, расщепляющего алкоголь внутри клеток — этой группы мух. У Adh была сильная выборка, и уже было известно, что мухи D. melanogaster расщепляют алкоголь быстрее, чем их сородичи. Итак, идея о том, что фермент Adh является причиной адаптации плодовой мухи к этанолу, стала первым признанным случаем конкретного гена, опосредующего адаптивную эволюцию вида.
Сиддик и Торнтон поняли, что эту гипотезу можно проверить напрямую с помощью новых технологий. Сиддик впервые предположил последовательности древних генов Adh непосредственно до и сразу после того, как D. melanogaster развил свою толерантность к этанолу, примерно два-четыре миллиона лет назад. Он синтезировал эти гены биохимическим путем, экспрессировал их и использовал биохимические методы, чтобы измерить их способность расщеплять алкоголь в пробирке. Результаты оказались неожиданными: генетические изменения, произошедшие во время эволюции D. melanogaster, не оказали заметного влияния на функцию белка.
Работая с сотрудниками Дэвидом Лёлином из Университета Висконсина и Кристи Монтут из Университета Небраски, Сиддик затем создал и охарактеризовал трансгенных мух, содержащих реконструированные предковые формы Adh. Они вывели тысячи этих «предков» мух, проверили, насколько быстро они могут расщеплять алкоголь и насколько хорошо выживают личинки и взрослые мухи, когда их выращивают на пище с высоким содержанием алкоголя. Удивительно, но трансгенные мухи, несущие более поздний Adh, усваивают алкоголь не лучше, чем мухи, несущие более древнюю форму Adh.
Что еще более поразительно, они не могли лучше расти или выжить при увеличении концентрации алкоголя. Таким образом, ни одно из предсказаний классической версии истории не сбылось.
Нет сомнений в том, что D. melanogaster действительно адаптировался к источникам пищи с высоким содержанием алкоголя в ходе своей эволюции, но не из-за изменений в ферменте Adh.«История Адха была принята, потому что экология, физиология и статистические признаки отбора указывали в одном направлении.
Но три линии косвенных доказательств не делают убедительных аргументов в пользу», — сказал Торнтон. «Вот почему мы хотели проверить гипотезу напрямую, теперь, когда у нас наконец есть для этого средства».Сиддик и Торнтон надеются, что стратегия создания трансгенных предков станет золотым стандартом в этой области, чтобы окончательно определить исторические изменения генов и их изменения в биологии и приспособленности организмов.
Со своей стороны, Крейтман, который до сих пор является профессором экологии и эволюции в Калифорнийском университете в Чикаго, поддержал новое исследование, помогая консультировать Сиддика по проекту и делясь своими обширными знаниями о молекулярной эволюции и генетике дрозофил.«С самого начала Марти был в восторге от наших экспериментов, и он не менее поддерживал нас, когда наши результаты опровергли хорошо известные выводы, основанные на его прошлой работе», — сказал Сиддик. «Я думаю, это очень вдохновляет».
