Элегантная модель. Это также чрезвычайно трудоемкий процесс, который может вывести из строя организмы, которым необходимо справляться с внезапными, потенциально опасными для жизни изменениями в окружающей их среде. Несомненно, какой-то другой механизм может обеспечить более быструю адаптивную реакцию.
В выпуске журнала Science за эту неделю группа исследователей из Гарвардской медицинской школы и Института Уайтхеда сообщает, что, по крайней мере, в случае одной разновидности пещерных рыб, другим агентом изменений является белок теплового шока, известный как HSP90.«Это очень крутая история с точки зрения скорости эволюции», — говорит Николас Ронер, ведущий автор научной статьи и научный сотрудник лаборатории профессора генетики Гарвардской медицинской школы Клиффорда Табина.Ронер отмечает, что в какой-то момент много тысяч лет назад популяция Astyanax mexicanus (рыба, обитающая на северо-востоке Мексики) была вытеснена из своего гостеприимного речного дома в недружелюбные пределы подводных пещер. Столкнувшись с совершенно другой окружающей средой, рыбы были вынуждены адаптироваться.
Живя почти в полной темноте, рыбы покончили со своей пигментацией, развили усиленные сенсорные системы, чтобы обнаруживать изменения давления воды и присутствие добычи, и, что, пожалуй, самое поразительное, они потеряли глаза. Хотя это может показаться нелогичным, потеря глаз считается «адаптивной» или полезной чертой, поскольку поддержание сложного, но теперь уже бесполезного органа будет связано с высокими метаболическими затратами.
Таким образом, рыбы могут перераспределить свои ограниченные физиологические ресурсы на биологические функции, более полезные в пещере.Считается, что потеря зрения у этих рыб является демонстрацией эволюционной концепции, известной как «постоянная генетическая изменчивость», которая утверждает, что пулы генетических мутаций — некоторые потенциально полезные — существуют в данной популяции, но обычно умалчиваются. Проявления этих мутаций, то есть их влияние на наблюдаемые фенотипы, не проявляются до тех пор, пока популяция не попадет в стрессовые условия. Но что именно сдерживает эти мутации?
Введите член Уайтхеда Сьюзан Линдквист, исследование которой показало, что HSP90 подавляет такую генетическую изменчивость у множества организмов, от плодовых мух до дрожжей и растений. Работа Линдквиста показала, что обычно устойчивый клеточный резервуар HSP90 истощается в периоды физиологического стресса. Потеря активности HSP90 позволила довольно быстро проявиться фенотипическим изменениям.
Хотя некоторые эмерджентные черты, обнаруженные в ее лаборатории, не были адаптивными, некоторые явно были адаптивными.«Хрупкий баланс сворачивания белков — особенно тот, который контролируется HSP90 — имеет ключевое значение», — говорит Линдквист, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и исследователем из Медицинского института Говарда Хьюза. «Умеренные изменения в окружающей среде создают стресс для сворачивания белка, в результате чего незначительные изменения в геноме имеют гораздо больший эффект.
Поскольку HSP90 управляет сворачиванием ключевых регуляторов роста и развития, он создает точку опоры для эволюционных изменений».Увидев работу Табин по генетике потери зрения у пещерных рыб, она предложила совместное исследование, чтобы определить, был ли HSP90 в эволюционном процессе у этого позвоночного. Лаборатории Табина и Линдквиста разработали комплекс экспериментов с пещерными и поверхностными рыбами одного и того же вида.
Поверхностная рыба, выращенная в присутствии препарата, который блокирует активность HSP90 (тем самым имитируя стрессовую среду), демонстрировала значительные различия в размере глаз, что явно указывает на влияние HSP90 на эту черту. Напротив, у пещерных рыб, выращенных в тех же условиях, не наблюдалось увеличения вариаций размеров глазных орбит (хотя у пещерных рыб нет глаз, их черепа сохраняют орбитальную полость там, где когда-то были глаза). Интересно, однако, что эти рыбы появились с маленькими орбитами, что показывает, что генетика, определяющая размер глаз, остается чувствительной к HSP90.
Эти впечатляющие результаты были вызваны химическим воздействием, поэтому оставался открытым вопрос о том, наблюдались ли такие эффекты, связанные с HSP90, в природе. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи изучили множество условий — от pH до содержания кислорода и температуры — в поверхностных и пещерных водах, где обитают эти рыбы.
Они обнаружили значительную разницу в проводимости, измеряемой по солености, между пещерой и поверхностью. Поскольку низкая проводимость, обнаруживаемая в пещерах, может вызвать реакцию теплового шока, они подняли поверхностную рыбу в воду, проводимость которой была равна проводимости местных пещер.
Результаты были практически такими же: у рыб, выращенных в условиях низкой проводимости, наблюдались значительные различия в размере глаз. Ученые показали, что фактор окружающей среды может иметь те же эффекты, что и химическое ингибирование HSP90.«Это первый раз, когда мы можем увидеть в естественной обстановке, откуда исходит стресс, и наблюдать вариации, которые возникают в результате», — говорит Табин.Ронер добавляет: «Это первое исследование, показывающее, что этот HSP90-опосредованный механизм может быть применен к позвоночным для получения реальных морфологических адаптивных признаков».
Для Дэна Яроша, бывшего постдокторанта лаборатории Линдквиста, это исследование является важным подтверждением работы Линдквиста по эволюции. Ярош, ныне доцент кафедры химической и системной биологии и биологии развития в Стэнфордском университете, принимал участие во многих работах Линдквиста по HSP90 как движущей силе эволюции дрожжей. Он считает, что эта последняя работа должна помочь успокоить тех, кто скептически относится к влиянию этого механизма на все царства растений и животных.«Теперь у нас есть достаточно доказательств, чтобы сказать, что большие и быстрые изменения окружающей среды могут выявить новые вариации и изменить результаты реальной эволюции в природе», — говорит он.
Эта работа поддерживается Национальным институтом здоровья и Фондом исследований рака Дэймона Руньона.