Биологи Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили новый эволюционный механизм, который привел к появлению глазного яблока у человека и других животных. Согласно статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ключевую роль мог сыграть горизонтальный перенос генов между бактериями и общим предком позвоночных животных.
Узнайте больше в полной версии ➞Известно, что возникновение глаза позвоночных животных описывалось Чарльзом Дарвином как одна из наиболее серьезных проблем, встающих перед теорией эволюции, происходящей путем естественного отбора. Хотя с тех пор ученые объяснили многочисленные эволюционные изменения, которые привели к появлению глазного яблока, некоторые структурные и биохимические особенности до сих пор не имеют очевидного предшественника среди беспозвоночных. Одним из ключевых различий является наличие ретинол-связывающего белка (RBP3), который важен для специализации клеток, участвующих в зрительном цикле.
Исследователи провели поиск гомологов человеческого белка RBP3 в открытой базе данных RefSeq, где представлена коллекция различных последовательностей ДНК и РНК и их белковых продуктов. Наиболее похожие на ретинол-связывающий белок последовательности были обнаружены в геноме бактерий. Хотя сам RBP3 имеет четыре домена (функциональные подструктуры), геном бактерий кодирует однодоменные белки, названные S41-пептидазами, которые по структуре и последовательности похожи на каждый из четырех доменов ретинол-связывающего белка позвоночных.
Предыдущие исследования указывали на то, что похожий на бактериальный белок RBP3 мог быть приобретен в результате горизонтального переноса, однако это не исключало то, что он мог быть унаследован от LUCA — последнего универсального общего предка всех живых организмов на Земле, включая бактерии. Чтобы определить эволюционное происхождение RBP3, исследователи провели филогенетическую реконструкцию методами максимального правдоподобия, заключающимися в поиске такого филогенетического дерева, которое с наибольшей вероятностью соответствует наблюдаемой картине.
Оказалось, что последовательность RBP3 встречается у всех позвоночных, эволюционно далека от похожего белка у других эукариот, а ее собственная эволюционная история соответствует эволюционной истории S41-пептидазы у бактерий. Это соответствует сценарию, согласно которому белок был приобретен в результате горизонтального переноса от бактерий более 500 миллионов лет назад. Вскоре после этого S41-пептидаза подверглась последовательным событиям удвоения числа доменов и, наконец, приобрела новые функции, что, в конечном итоге, привело к появлению современной RBP3.
Как пишут авторы, горизонтальный перенос генов от бактерий позволяет избежать ограничения, накладываемые самой эволюцией и называемые некоторыми учеными «халтурой» (англ. tinkering), когда последовательные изменения в генах приводят к несовершенствам в строении и функциях организмов. Поскольку естественный отбор благоприятствует тем признакам, которые повышают адаптацию организмов к текущим условиям, эволюция не способна заранее «продумать» конструкцию организмов для будущих условий. Однако перенос генов от бактерий является потенциальным источником новых функциональных структур, которые не могли бы возникнуть иным образом.