Учени показаха, че някои ключови моменти от еволюцията на животните - като тези, довели до появата на човешкия вид или насекомите - са свързани с машабна загуба на гени в генома.

Изследването на учени от Великобритания, публикувано в Nature Ecology & Evolution, сравнява над 100 генома, за да проучи какво се е случило на генно ниво по време на еволюцията на животните.

Откритието доказва, че пълното изключване на работещите гени е не по-малко важно за еволюцията от преструктурирането им за нови задачи и появата на нови гени.

В процеса на еволюцията организмите могат да получат нови гени за изпълнение на нови функции, да загубят други гени, които вече не се използват, и да рециклират старите в нови функции. Предишни проучвания показват, че придобиването на нови гени е играло основна роля в произхода на животинското царство и се предполага, че повечето организми стават по-сложни чрез придобиване на нови гени.

Д-р Джорди Папс (Jordi Paps) от Университета в Бристол заедно с докторантката Кристина Гуджаро-Кларк (Cristina Guijarro-Clarke) от Университета в Есекс и професор Питър Холанд (Peter W. H. Holland) от Оксфордския университет откриха, че загубата на гени всъщност е била по-важна в процеса на еволюцията на животинското царство.

Учените изследват 102 пълни генома на голямо разнообразие от животни, опитвайки се да възстановят тяхната еволюционна история. По-конкретно, изследователите се интересуват колко гени са придобити и загубени (тоест преминали в боклучавата ДНК) при раждането на един или друг клад.

_{Разлики между първичноусти (Protostomia) и вторичноусти (Deuterostomia). Кредит: Wikimedia Commons}

Клад означава група таксони (видове, родове, класове и т.н.), обединени от общ прародител. Царството на животните е клад. С други думи някога е живял организъм, от който са произлезли всички животни и никой друг освен животни. Вътре в него има дъщерни клада например билатералните (двустранно симетричните) животни.

В процеса на еволюцията билатералните животни също се разделят на няколко клада. Сред тях са първичноусти (Protostomia) и вторичноусти (Deuterostomia). Те се различават по начина, по който се образуват устата и анусът им по време на развитието на ембриона. Вторичноустите включват гръбначни животни (включително бозайниците и хората), бодлокожи (морски звезди, морски таралежи и т.н.) и някои други групи. Първичноустите са членестоноги (включително насекоми, паякообразни, ракообразни), червеи, мекотели и т.н.

_{Представители на вторичноусти (Deuterostomia). Кредит: Wikimedia Commons}

И двете групи в известен смисъл са завладели земята. Вторичноустите буквално заемат горните звена на хранителните вериги, почти всички големи животни са гръбначни. Първичноустите, от друга страна, са безспорните лидери в биологичното разнообразие. Само описаните видове насекоми са повече, отколкото всички други животни, взети заедно

По този начин появата на двате клада може да се нарече истински еволюционен пробив. Какви процеси доведоха до това?

Обикновено се смята, че основният генетичен двигател на еволюцията са промените в работещите гени. По принцип е общоприето, че тъй като на еволюционното дърво се появяват все повече и повече нови клони, геномът на новите видове се усложнява.

Новото проучване обаче разкрива нещо съвсем различно.

Авторите реконструират историята на генетичните загуби и придобивки в процеса на еволюцията на многоклетъчните животни (Metazoa), от появата им до наши дни. В същото време те отчитат, че един и същ ген може да се различава леко при различните животни. Следователно не са били преброявани самите гени, а групи от такива „роднини“ (хомолози, казват експертите).

^{Еволюционното дърво на многоклетъчните животни с броя на изгубените и придобити генни групи. Кредит: Cristina Guijarro-Clarke et al., Nature Ecology & Evolution, 2020.}

Илюстрацията по-горе показва броя на изгубените и придобити хомоложни групи. Със знак "+" е даден броят на групите, появяващи се заедно с един или друг клад, със знак "-" - изчезналите в него при разделянето му.

Двойката знаци „++“ показва броя на новите групи, които присъстват в 95% от таксоните в нововъзникващия клад. С „- -” се означава броя на изчезналите групи, присъстващи в 95% от таксоните на родителския клад.

Учените откриват, че при отделянето на клада на многоклетъчните животни се появяват почти толкова нови генетични групи, колкото са загубени от предишните (2160 срещу 2212). Билатериите са се отделили от клона на своите предци поради придобиването на 1699 нови генетични групи и загубата на 745 от тези на предците си.

Рекордни загуби на гени се случват при разделянето на вторичноустите и групата Ecdysozoa. Последните са клад вътре в първичноустите, който включва членестоноги, кръгли червеи и някои други същества. И така, при възникването на клада на вторичноустите са били „бракувани“ не по-малко от 4 211 групи гени, а са придобити само 280. При отделянето на Ecdysozoa загубите са 4 677, а са добавени само 97 групи гени.

_{Представители на групата Ecdysozoa. Кредит: Wikimedia Commons}

По този начин се оказа, че в еволюционния процес изхвърлянето на генетичния баласт може да бъде не по-малко важно от придобиването на нови полезни гени.

„По-голямо значение има, че еволюцията на животинското царство не се ръководи от увеличаването на броя на гените и не означава непременно, че еволюцията трябва да ги направи по-сложни", обяснява д-р Джорди Папс, водещ автор и преподавател в Школата за биологични науки в Бристол.

"Планираме да използваме същия подход, за да проучим как геномите на паразитните животни, като тения или кръгли червеи, губят и придобиват гени, за да видим дали можем да намерим терапевтични методи за борба с болестите, причинени от тези паразити".

Следващата стъпка за изследването ще бъде да се види дали този модел се наблюдава и в други основни линии в дървото на живота, различни от животните.

Справка: 

'Widespread patterns of gene loss in the evolution of the animal kingdom' by Cristina Guijarro-Clarke, Peter W. H. Holland and Jordi Paps in Nature Ecology & Evolution

Източник:

Gene loss more important in animal kingdom evolution than previously thought, University of Bristol

Още по темата

29/10/2019

Животът

Откриха родината на всички човешки същества отпреди 200 000 години в Южна Африка

15/06/2017

Животът

Еволюционното дърво на Дарвин трябва да стане многоизмерно

21/05/2017

Животът

Учени построиха еволюционното дърво на молекулните функции на живота на Земята

22/11/2016

Животът

Разшифрован е геномът на гинко, най-древното съвременно растение на Земята (видео)