Случайная изменчивость генной экспрессии у Arabidopsis thaliana подчиняется строгим закономерностям

Рис. 1. Генетически идентичные проростки Arabidopsis thaliana, выращенные в одинаковых условиях. Из таких растений получали транскриптомы, чтобы оценить случайную изменчивость генной экспрессии. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Molecular Systems Biology

Фенотип определяется не только генами и средой, но и «случайным шумом», который неизбежно присутствует на всех уровнях организации живых систем, в том числе на уровне экспрессии генов. Сравнив транскриптомы 168 проростков резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), генетически почти идентичных и развивавшихся в одинаковых условиях, британские биологи обнаружили закономерности, которым подчиняется случайная изменчивость генной экспрессии. Оказалось, что гены сильно различаются по размаху такой изменчивости. Многие из генов с наиболее изменчивой экспрессией отвечают за реакцию растения на внешние стимулы и выполняют защитные функции, тогда как гены с наиболее стабильной экспрессией обычно отвечают за базовые клеточные процессы. Повышенная изменчивость экспрессии у одних генов наблюдается только ночью, у других — днем, у третьих — круглые сутки. Гены с самой вариабельной экспрессией отличаются от остальных генов меньшей длиной, более сложной регуляцией и более «закрытым» состоянием хроматина, хотя средний уровень экспрессии у них примерно такой же, как и у генов со стабильной экспрессией. Исследование показало, что размах случайной изменчивости не случаен; он явно регулируется организмом. Регулируемая случайная изменчивость может способствовать выживанию в непредсказуемой среде по принципу «хеджирования ставок».

Все живые организмы чем-то отличаются друг от друга. «По умолчанию» обычно считается, что причины фенотипических различий нужно искать либо в генах, либо в различающихся условиях среды. Но это представление о природе изменчивости страдает неполнотой. Кроме генетической и средовой изменчивости есть еще и стохастическая (случайная) изменчивость, порождаемая, в частности, случайными флуктуациями уровня экспрессии генов (см. Developmental noise). Случайная изменчивость проявляется в том, что даже генетически идентичные организмы, выращенные в одинаковых условиях, не получаются абсолютно одинаковыми.

«Элементы» не раз рассказывали о случайной изменчивости и ее эволюционной роли (см. ссылки в конце новости). Под действием стабилизирующего отбора в ходе эволюции развиваются механизмы, ограничивающие случайную изменчивость и сводящие к минимуму «онтогенетический шум». Поэтому итогом индивидуального развития обычно оказывается некий определенный фенотип, а не какой попало. Впрочем, онтогенетический шум едва ли можно устранить полностью, да это и не нужно, поскольку небольшие случайные вариации фенотипа не обязательно должны снижать приспособленность. Более того, случайная изменчивость может оказаться полезной, особенно если условия среды непредсказуемо колеблются. Например, случайная изменчивость по скорости прорастания семян (когда часть семян всходит сразу, а часть — лишь на следующий год) может повышать репродуктивный успех, если иногда случаются засухи, губящие все всходы этого года. Такую стратегию адаптации эволюционисты называют «биологическим хеджированием ставок» (biological bet hedging; подробнее см. в новости В изменчивом мире для успешности альтруизма достаточно, чтобы помощь была полезной в «плохие» годы, «Элементы», 12.03.2018).

Исходя из этих общих соображений можно ожидать, что в ходе эволюции случайная изменчивость большинства признаков будет сводиться к минимуму, но у некоторых признаков она может сохраняться на высоком уровне. Однако реальные закономерности, которым подчиняется случайная изменчивость у многоклеточных организмов, пока изучены слабо.

Биологи из Кембриджского университета (Великобритания) попытались восполнить этот пробел, изучив случайную изменчивость генной экспрессии у молодых растений (проростков) модельного вида Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля). Сравнивались транскриптомы проростков, выращенных в строго одинаковых условиях из семян одного и того же родительского растения (рис. 1). Поскольку лабораторные линии A. thaliana размножаются, как правило, путем самоопыления, уровень гетерозиготности у них очень низкий. Из этого следует, что изучавшиеся растения можно в первом приближении считать генетически идентичными.

Транскриптомы получали из целых проростков. Это позволило оценить общий (усредненный) уровень экспрессии каждого гена во всех тканях и органах растения сразу (провести аналогичное исследование по отдельности для разных тканей — задача на будущее). Растения содержались в условиях 12-часового светового дня. Проростки для анализа были взяты в 12 временных точках в течение суточного цикла, по 14 растений для каждого момента времени. Всего, таким образом, было проанализировано 168 транскриптомов (рис. 2, А).

Рис. 2. А — схема суточного цикла, показывающая, что для каждой из 12 временных точек (ZT2, ZT4 и т. д.) было взято по 14 проростков. Разноцветность проростков символизирует индивидуальные различия по уровню экспрессии генов. Для каждого проростка был получен транскриптом; всего, таким образом, проанализировали 168 транскриптомов. B — принцип выделения «высоко вариабельных генов» (HVG). Такие расчеты проводились для каждого из 12 моментов времени по отдельности; на рисунке показаны данные по ZT2. Каждая точка на графике соответствует одному гену. По вертикальной оси — квадрат коэффициента вариации (величина, отражающая размах индивидуальной изменчивости уровня экспрессии данного гена у 14 изученных проростков). По горизонтальной оси — средний уровень экспрессии. Красным показана линия тренда, отражающая отрицательную корреляцию между средним уровнем экспрессии и ее вариабельностью (менее активные гены в среднем более вариабельны). Синим отмечены «высоко вариабельные гены» (HVG) — точки, лежащие достоверно выше линии тренда. Изображение из обсуждаемой статьи в Molecular Systems Biology

Для каждой из 12 временных точек были определены «высоко вариабельные гены» (highly variable genes, HVG), как показано на рис. 2, B.

Оказалось, что гены очень сильно различаются и по размаху индивидуальной изменчивости уровня экспрессии, и по тому, как эта изменчивость меняется в течение суток (рис. 3). У большинства генов индивидуальная изменчивость экспрессии невелика в течение всего суточного цикла (как на рис. 3, слева). Однако у 1358 генов (8,7% от общего числа проанализированных генов) хотя бы в один момент времени отмечается резко повышенная вариабельность экспрессии. При этом 40 генов классифицируются как HVG во всех 12 временных точках (рис. 3, в центре), а остальные 1318 — только на отдельных временных интервалах (рис. 3, справа).

Рис. 3. Гены сильно отличаются друг от друга по степени изменчивости уровня экспрессии. Верхние графики показывают уровни экспрессии для каждого проростка по отдельности (по 14 точек для каждого из 12 моментов времени), нижние — нормализованную оценку изменчивости экспрессии. Слева — ген, экспрессия которого примерно одинакова у всех проростков в течение суток («не HVG»). В центре — ген, который классифицируется как HVG во все 12 моментов времени. Справа — ген, который классифицируется как HVG только в моменты ZT8, ZT10 и ZT12, то есть «вечером». Моменты, когда ген попадает в категорию HVG, отмечены синими звездочками. Рисунок из обсуждаемой статьи в Molecular Systems Biology

Статистический анализ выявил ряд закономерностей в том, как распределены во времени периоды повышенной изменчивости экспрессии у HVG. Выделяются подгруппы HVG, у которых периоды повышенной изменчивости наблюдаются либо преимущественно днем, либо преимущественно ночью (рис. 4). Когда авторы точно так же проанализировали гены, имеющие, наоборот, самую низкую изменчивость (LVG, lowly variable genes), ничего похожего не обнаружилось. Малоизменчивые гены не делятся на «дневные» и «ночные»; в целом LVG распределяются по 12 временным точкам более хаотично. По-видимому, это значит, что HVG (но не LVG) представляют собой некую особую категорию генов, у которых высокая индивидуальная изменчивость уровня экспрессии в определенные периоды суток поддерживается организмом нарочно, потому что это дает растениям какие-то преимущества.

Рис. 4. Процент общих HVG для разных пар временных точек. Чем краснее клетка таблицы, тем выше сходство между двумя моментами времени по набору HVG. Видно, что красного цвета больше всего в левом верхнем и правом нижнем секторах таблицы. Это значит, что есть преимущественно дневные и преимущественно ночные HVG, демонстрирующие повышенную изменчивость экспрессии либо в светлое (ZT2–ZT10), либо в темное (ZT14–ZT24) время суток. Интересно, что «предзакатный» момент времени ZT12 ведет себя скорее как ночной, чем как дневной. Рисунок из обсуждаемой статьи в Molecular Systems Biology

Это предположение согласуется и с другими результатами. Оказалось, что среди HVG резко повышена доля генов, связанных с реакцией растения на всевозможные внешние воздействия и стрессирующие факторы. При этом между «дневными» и «ночными» HVG есть разделение функций. Например, в дневное время повышенная вариабельность экспрессии чаще наблюдается у генов, функции которых связаны с реакцией на холод и недостаток влаги, а ночью более изменчива экспрессия генов, участвующих в реакции на токсичные вещества. У наименее вариабельных генов (LVG) разделение функций по времени суток не прослеживается (то есть гены с очень стабильной ночной экспрессией не отличаются по своим функциям от генов с очень стабильной дневной экспрессией). В целом среди LVG преобладают гены, задействованные в базовых клеточных функциях (метаболизм белков, репарация ДНК и т. п.).

Выяснилось также, что изменчивость экспрессии практически не коррелирует с ее средним уровнем. То есть нельзя сказать, что, гены, для которых характерен в целом более (или менее) высокий уровень экспрессии, попадают в категорию HVG чаще (или реже) других. Кроме того, закономерные изменения общего уровня экспрессии гена в течение суточного цикла не объясняют изменений в изменчивости этого уровня.

При этом, однако, для HVG в целом характерно более «закрытое» состояние хроматина (см. Chromatin remodeling), что, по идее, должно снижать экспрессию. О «закрытости» или «открытости» хроматина можно судить по эпигенетическим меткам, таким как метилирование ДНК и модификации гистонов. Одни типы меток делают хроматин более «открытым», что способствует высокой экспрессии, другие — наоборот. Для HVG характерна повышенная частота встречаемости эпигенетических меток, снижающих экспрессию.

Еще одна закономерность связана с размером генов: среди HVG преобладают короткие гены с небольшим числом интронов. Для HVG также характерна более сложная регуляция, чем для прочих генов: к регуляторным областям HVG прикрепляется в среднем больше различных белков — регуляторов транскрипции.

Не все найденные закономерности являются независимыми друг от друга. Например, ранее уже было показано, что гены Arabidopsis, участвующие в реакциях на стресс, в среднем короче остальных и характеризуются повышенным числом эпигенетических меток, соответствующих «закрытому» хроматину. Биологический смысл всех этих закономерностей еще только предстоит расшифровать.

Основные результаты исследования суммированы на рис. 5.

Рис. 5. Основные результаты исследования. Гены с вариабельной экспрессией (Highly Variable Genes, HVG) отличаются от генов со стабильной экспрессией (Lowly Variable Genes, LVG) по своим функциям: среди HVG преобладают гены, отвечающие за реакцию на факторы внешней среды, тогда как среди LVG больше генов, связанных с базовыми клеточными функциями. «Дневные» и «ночные» HVG отличаются друг от друга по своим функциям, тогда как у «дневных» и «ночных» LVG таких различий не выявлено. Для HVG характерна более сложная регуляция (больше сайтов связывания транскрипционных факторов в промоторных областях; на схеме эти сайты показаны зелеными прямоугольничками) и более «закрытое» состояние хроматина ("closed’ chromatin). Рисунок из обсуждаемой статьи в Molecular Systems Biology

Главное, что показало исследование — неожиданно большой масштаб случайной изменчивости генной экспрессии у Arabidopsis. Это говорит о важности данного типа изменчивости: им явно не следует пренебрегать, хотя до сих пор «по умолчанию» считается, что если два организма чем-то отличаются друг от друга, то причину нужно искать либо в генах, либо в условиях среды.

Кроме того, работа показала, что случайная изменчивость подчиняется строгим закономерностям. По-видимому, это значит, что пределы случайной изменчивости генной экспрессии аккуратно регулируются организмом. Хаос, по идее, должен быть изначально присущ всем биологическим процессам. Однако в ходе эволюции неизбежно развиваются механизмы, накладывающие определенные рамки на случайную изменчивость. Под действием отбора случайная изменчивость одних признаков сводится к минимуму, в то время как другим признакам отбор оставляет больше свободы. В каких-то ситуациях это может оказаться полезным. Например, случайные флуктуации уровня экспрессии защитных генов могут повышать выживаемость в непредсказуемой среде, когда нельзя предугадать, с какими напастями организму предстоит бороться в течение следующего часа. Дальнейшие исследования покажут, действительно ли случайная изменчивость экспрессии генов является адаптацией, направленной на повышение выживаемости путем «хеджирования ставок».

Источник: Sandra Cortijo, Zeynep Aydin, Sebastian Ahnert, James C. W. Locke. Widespread inter-individual gene expression variability in Arabidopsis thaliana // Molecular Systems Biology. 2019. 15: e8591. DOI: 10.15252/msb.20188591.

См. также о случайной изменчивости:
1) Важнейшие свойства клеток подвержены сильным случайным колебаниям, «Элементы», 20.10.2014.
2) Избыточность регуляторных сетей делает развитие помехоустойчивым, «Элементы», 22.02.2010.
3) Стресс помогает справиться с вредными мутациями, «Элементы», 17.01.2012.
4) А. В. Марков, М. А. Марков. Процессы самоорганизации в онтогенезе многоклеточных: опыт имитационного моделирования.
5) Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009.
6) В. А. Непомнящих. Увеличение изменчивости поведения животных вследствие автокорреляций.

Александр Марков