Более 500 миллионов лет назад ранние позвоночные приобрели бактериальную ДНК, которая сделала возможной эволюцию зрения.
Глаз настолько сложен, что даже Чарльз Дарвин не смог объяснить, как он мог возникнуть. И вот выясняется, что эволюция глаза позвоночных получила неожиданный толчок - от бактерий, которые внесли ключевой ген, участвующий в реакции сетчатки на свет. Работа, опубликованная на днях в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, еще раз доказывает эволюционную важность генов, заимствованных у других видов.
"Эти результаты демонстрируют, как сложные структуры, такие как глаза позвоночных, могут эволюционировать не только путем изменения существующего генетического материала, но и путем приобретения и интеграции чужеродных генов", - говорит Линг Жу, биолог по сетчатке глаза из Сиднейского университета, который не принимал участия в работе. "Это невероятно".
Известно, что бактерии легко обмениваются генами, упакованными в вирусы или мобильные фрагменты ДНК, называемые транспозонами, или даже в виде свободно плавающей ДНК. Но позвоночные тоже могут внедрять микробные гены. Когда в 2001 году был впервые секвенирован геном человека, ученые полагали, что он содержит около 200 генов, полученных от бактерий, хотя микробное происхождение многих из них не подтвердилось.
Надеясь улучшить результаты этих исследований, Мэтью Догерти, биохимик из Калифорнийского университета и его коллеги, использовали сложное программное обеспечение, чтобы проследить эволюцию сотен человеческих генов путем поиска аналогичных последовательностей у сотен других видов. Гены, которые, казалось, впервые появились у позвоночных и не имели предшественников у более ранних животных, были хорошими кандидатами на то, чтобы перекочевать из бактерий, особенно если они имели аналоги у современных микроорганизмов. Среди десятков потенциально чужеродных генов один "поразил меня", - вспоминает Догерти.
Ген, названный IRBP (от interphotoreceptor retinoid-binding protein), уже был известен как важный для зрения. Кодируемый им белок находится в пространстве между сетчаткой и ретинальным пигментным эпителием - тонким слоем клеток, покрывающих сетчатку. В глазу позвоночных, когда свет попадает на светочувствительный фоторецептор в сетчатке, комплексы витамина А сворачиваются, вызывая электрический импульс, который активирует зрительный нерв. Затем IRBP перемещает эти молекулы в эпителий, где они расправляются. И наконец, он переносит восстановленные молекулы обратно в фоторецептор. "IRBP, - объясняет Жу, - необходим для зрения всех позвоночных".
IRBP позвоночных наиболее похож на класс бактериальных генов, называемых пепсидазами, белки которых перерабатывают другие белки. Поскольку IRBP обнаружен у всех позвоночных, но, как правило, не у их ближайших беспозвоночных родственников, Догерти и его коллеги предполагают, что более 500 миллионов лет назад микробы перенесли ген пепсидазы в предка всех живущих позвоночных. Как только ген оказался на месте, функция рециркуляции белка была утрачена, и ген продублировал себя дважды, что объясняет, почему IRBP имеет четыре копии оригинальной пепсидазной ДНК. Даже у своих микробных предшественников этот белок мог обладать способностью связываться со светочувствительными молекулами, предполагает Догерти. Затем другие мутации завершили его превращение в молекулу, которая могла выходить из клеток и служить в качестве челнока.
Не все согласны с тем, что эволюция IRBP имела решающее значение для зрения позвоночных. "Я не думаю, что это должно было произойти для того, чтобы позвоночные хорошо видели", - считает Сёнке Джонсен, биолог из Университета Дьюка. Глаза беспозвоночных обходятся без IRBP, отмечает он. Вместо того чтобы курсировать туда-сюда, комплекс витамина А остается в сетчатке, где одна длина волны света сгибает светочувствительную молекулу, а другая разгибает ее. Некоторые исследователи предполагают, что этот механизм затрудняет ночное зрение беспозвоночных. Однако "существует множество чрезвычайно хороших глаз беспозвоночных", - говорит Джонсен. Догерти соглашается, что зависимость позвоночных от IRBP может быть просто исторической случайностью. " У нас это как бы закрепилось", - говорит он.
В любом случае, эта работа подтверждает идею о том, что горизонтальный перенос генов может помочь наделить организмы новыми функциями. Когда эти гены укореняются в новом виде, эволюция может изменить их, чтобы создать совершенно новые способности или усилить существующие.
