По мере роста глобальной температуры исследователи из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) работают над выращиванием более сильных и устойчивых культур. Однако этот процесс сопряжён с трудностями. У растений часто есть несколько родственных генов, которые отвечают за желаемые свойства, такие как размер или устойчивость к засухе. Найти гены с частично совпадающими функциями, или «дублирующие гены», — задача не из лёгких.
«По словам эксперта, значительные трудности часто возникают при попытках повысить качество сельскохозяйственных культур Якопо Джентиле, по словам автора работы, это обусловлено тем, что генные семейства претерпевают эволюцию и взаимно компенсируют друг друга посредством чрезвычайно сложного и избыточного механизма».
Джентиле и его соавторы изучили эволюцию одного значимого семейства генов у цветковых растений на протяжении 140 миллионов лет. На основе полученных результатов они разработали модели, позволяющие определять избыточные гены и предсказывать, какие гены следует модифицировать для изменения конкретных характеристик.
«Объясняя суть вопроса, Джентиле отметил, что речь идет о понимании последствий дублирования генов. Изначально присутствует один ген, который затем удваивается. Возникает вопрос: что происходит после этого? Согласно теории, эти гены должны приобретать различия. Ключевой вопрос заключается в том, каким образом это происходит».
Чтобы ответить на него, команда сконцентрировала усилия на CLE — группе генов, вовлеченных в клеточную сигнализацию и рост растений. Пептиды CLE встречаются у всех видов растений. Тем не менее, многие из их функций пока не выяснены. Исследования затруднены из-за их небольшой длины, высокой скорости эволюции и избыточности.
Благодаря последним разработкам в сфере искусственного интеллекта, специалистам удалось обнаружить тысячи ранее не идентифицированных CLE генов у 1000 видов. Исследователи ввели эти данные в компьютерные модели, которые выделили гены, которые могут быть избыточными. Избыточные гены, скорее всего, имеют сходство в одном или двух местах: в вырабатываемых ими пептидах или в промоторах генов — участках ДНК, которые контролируют экспрессию.
Для проверки точности прогнозов, сделанных моделями, в лаборатории Липпмана с помощью технологии CRISPR были деактивированы определенные гены томатов. В соответствии с ожиданиями, деактивация единственного дублированного гена не вызвала заметных изменений. Однако, при одновременном отключении всех отмеченных генов, были зафиксированы видимые изменения в растениях. «Впервые для томатов мы осуществили воздействие на столь значительное количество генов одновременно, — отметил Джентиле. — Мы модифицировали 10 генов».
Замечено, что у значительной части избыточных генов наблюдаются схожие промоторы, несмотря на различия в пептидных последовательностях. Разработанная модель позволила не только определить потенциальные избыточные гены, но и спрогнозировать воздействие определенных факторов на растения CLE мутации: положительное, отрицательное или нейтральное.
Предложенный метод обладает возможностью простого расширения для работы с различными группами генов. Это дало возможность селекционерам получить руководство для предсказания, как можно использовать потенциал скрытых генов для достижения желаемых результатов. Работа опубликована в журнале Molecular Biology and Evolution.
[Фото: Lippman lab/CSHL]