Критическая цель в генетике и эволюции – предсказать последствия мутаций, которые могут произойти в будущем, и вывести последствия тех, произошедших в прошлом. Чтобы сделать эти прогнозы, ученые обычно предполагают, что эффекты мутации, проверенные в настоящем, применимы к прошлым и будущим версиям одного и того же гена. Исследование опубликовано в журнале Science.
Это предположение оказывается неверным для большинства мутаций, показывает новое исследование ученых Чикагского университета. Сочетая передовые методы экспериментальной биохимии и эволюционную реконструкцию древних белков, исследование непосредственно измерило, как эффекты каждой возможной мутации в биологически важном гене изменились за 700 миллионов лет эволюции. По мере эволюции гена эффекты большинства мутаций изменялись неуклонно и случайным образом, часто переключаясь с очень вредных на несущественные или наоборот.
Этот постоянный дрейф делает невозможным надежно предсказать последствия большинства мутаций в будущем или в прошлом. Результаты также подразумевают, что потенциальная судьба мутации во время эволюции определяется не только естественным отбором, но и конкретным набором случайных событий, которые произошли в течение истории гена. Эти события определяют эффект, который каждая мутация имеет в каждый момент времени, и, следовательно, вероятность того, что она будет включена в ген во время эволюции.
“Многие люди думают, что естественный отбор оптимизировал все наши гены, чтобы сделать наилучшую работу. Наши результаты показывают, что современные гены являются результатом определенного каскада случайных, но последовательных случайных событий, каждое из них определяло следующие шаги, которые эволюция могла предпринять в каждый момент истории”, — рассказывает Джозеф Торнтон, профессор экологии и эволюции и генетики человека в UChicago и старший автор исследования.
Чтобы провести первое всестороннее исследование изменений в эффектах мутаций с течением времени, Торнтон и его команда объединили передовые методы из двух областей. Они сосредоточились на семействе генов, которые кодируют рецепторы стероидных гормонов. Эти внутриклеточные белки регулируют влияние эстрогена, тестостерона и кортизола на репродукцию, развитие, иммунитет и широкий спектр раковых и других заболеваний. Рецепторы, обнаруженные почти у всех животных сегодня, эволюционировали от одного общего предка около 700 миллионов лет назад.
Используя метод, впервые разработанный в лаборатории Торнтона, команда сначала реконструировала ген предка всей семьи, вычислительно прослеживая эволюцию назад по древу жизни, начиная с массивной базы данных современных рецепторных генов. Ученые также реконструировали серию из восьми других генов в семье, которые произошли в разное время между этим глубоким предком и настоящим. Они синтезировали ДНК для каждого из этих древних генов, чтобы они могли экспериментально изучить их в своей лаборатории.
