Вы, вероятно, знакомы с космическими просторами, но что насчет временной перспективы? Современные генетики и биологи, изучающие эволюцию, способны анализировать прошлое с беспрецедентной глубиной. Однако многие загадки остаются нерешенными. Одна из них на протяжении десятилетий ставила биологов в затруднительное положение. Последовательности и функции генов часто сохраняются как у растений, так и у животных на протяжении сотен миллионов лет. Однако это наблюдение не применимо при сравнении регуляторной ДНК, которая управляет активностью генов. Долгое время не удавалось установить, сохраняется ли регуляторная ДНК у растений. Ситуация дошла до того, что многие стали сомневаться в ее существовании.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Лабораторией Колд-Спринг-Харбор (CSHL), выявило более 2,3 миллиона регуляторных последовательностей ДНК, сохранившихся в 314 геномах растений 284 видов. Эти «консервативные некодирующие последовательности» (КНП) были идентифицированы с помощью нового вычислительного инструмента под названием Conservatory. По мнению исследователей, некоторые из этих ключевых неметаболитов возникли задолго до того, как цветковые растения эволюционировали от своих нецветковых предшественников, что произошло более 400 миллионов лет назад.
Основной целью ученых являлось детальное изучение и сопоставление последовательности и структуры всех групп генов, от одного предка к другому, на основе анализа сотен геномов. Анат Хендельман, один из первых исследователей был удивлен тем, что столь большое количество КНП существовало всегда. Анализ и генетическое редактирование КНП продемонстрировали их необходимость для функций развития», — говорит Хендельман.
В ходе исследования были определены три ключевых принципа эволюции центромерных последовательностей у растений. Прежде всего, несмотря на различия в расстоянии между этими последовательностями, их расположение на хромосоме остается неизменным. Кроме того, в процессе реорганизации генома центромерные последовательности начинают взаимодействовать с другими генами. И, наконец, старые центромерные последовательности обычно сохраняются при дупликации генов, что представляет собой важную характеристику эволюции генома и эволюции семейств генов у растений.
«Фактически, это являлось одной из причин, препятствовавших выявлению регуляторных последовательностей с использованием тех же методик, что и при работе с животными, — указывает Липпман. — Мы не только выявили регуляторные последовательности благодаря новому подходу, но и установили, что новые регуляторные последовательности нередко возникают из модифицированных старых, после того как гены были скопированы. Это позволяет понять, как формируются новые регуляторные элементы».
Благодаря проекту Conservatory биологи, изучающие растения, теперь могут получить доступ к тому, что исследователи называют «полным атласом регуляторной консервации растений, включая десятки сельскохозяйственных культур и их диких предков».
Это ценный инструмент для селекционеров, работающих над решением важных задач, таких как борьба с засухами и дефицитом продуктов питания. Однако его применение не ограничивается только сельским хозяйством. Как отмечает Липпман, это «новый взгляд на эволюцию живых организмов на протяжении геологических периодов и шанс более результативно модифицировать или улучшать характеристики сельскохозяйственных культур».
[Фото: Zachary Lippman/CSHL]