Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш

Более 15 лет ведется эксперимент MuLTEE (Multicellularity Long Term Evolution Experiment), цель которого — изучить механизмы появления многоклеточности. Главный герой этой эволюционной истории — обычные пекарские дрожжи. В ходе контролируемой эволюции они стали многоклеточными, сформировав колонии, напоминающие по форме снежинки. Колонии размножаются, отпочковывая не клетки, а целые дочерние колонии. Этот многообещающий модельный объект помогает понять многие механизмы эволюции. Фото с сайта smithsonianmag.com

Американские ученые в ходе долговременного эксперимента на дрожжах изучили, как происходит полногеномная дупликация и какую роль в становлении многоклеточных колоний она играет. Выяснилось, что полногеномная дупликация является чрезвычайно эффективным механизмом для формировании крупных ансамблей клеток: она приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Несмотря на нестабильность нового удвоенного генома, эта геномная перестройка дает немедленное преимущество перед обычными диплоидами, и если новые жесткие требования среды будут сохраняться, то отладка и стабилизация лишней геномной копии может произойти потом.

Новая публикация в журнале Nature разбирает пользу и ограничения полногеномной дупликации, или полиплоидии, которая довольно часто происходит в ходе эволюционных трансформаций популяций. Удвоение хромосомного набора имеет очевидные преимущества. В частности, с приобретением лишнего комплекта хромосом организм может позволить себе сохранять мутации в генах без потери их первичной отлаженной функции. Отсюда повышение устойчивости в условиях любого рода стрессов, отсюда быстрая адаптация к новым условиям. Также дополнительный набор неизбежно приводит к более активному метаболизму, поэтому можно увеличить размер клеток, отдельного органа или всего организма.

Все это исключительно важно для выживания, поэтому и животные, и растения часто практикуют этот путь геномных перестроек. Например, доказано, что полногеномные дупликации происходили у предков позвоночных, у костистых рыб, у лососевых рыб и карпов; также она известна у ряда плоских и круглых червей. Для растений полиплоидность, возникшая в результате полногеномной дупликации, тоже весьма характерна: 15–70% видов современных растений претерпели полногеномные дупликации (J. Masterson, 1994. Stomatal size in fossil plants: evidence for polyploidy in majority of angiosperms). Среди папоротников полиплоидов насчитывается около 30% видов (T. Wood et al., 2009. The frequency of polyploid speciation in vascular plants).

Столь широкое распространение полногеномных дупликаций указывает на их безусловную адаптивную пользу, но при этом хорошо известно, что полиплоиды неустойчивы, не выдерживают конкуренцию с обычными диплоидами и имеют тенденцию переходить обратно к диплоидному состоянию. Иными словами, их адаптивное преимущество, по крайней мере на начальных этапах эволюции, совсем не очевидно. Разобраться с этим противоречием помог эксперимент. Его организовали специалисты из Технологического института Джорджии при поддержке других американских лабораторий. Ученые работали с дрожжами, и опубликованные результаты — это лишь небольшая часть большого и долгого эксперимента по эволюции многоклеточности. «Элементы» уже освещали первые яркие результаты этого эксперимента, рассказав, как из одноклеточных дрожжей сформировались устойчивые многоклеточные кластеры-снежинки (см. новости Экспериментально показано образование многоклеточных эукариот из одноклеточных предков, «Элементы», 25.01.2012 и В эволюционном эксперименте дрожжи превратились в макроскопические многоклеточные организмы, «Элементы», 12.06.2023). Но эволюция — это сюжет с открытым концом: отбор дрожжей-снежинок продолжился, но теперь ученые сосредоточились на увеличении размера многоклеточных колоний.

Схема эксперимента: каждый день отбирались кластеры клеток со дна пробирки с жидкой средой, так как на дне скапливались наиболее тяжелые — то есть крупные — комочки. Эксперимент велся 1000 дней в пяти повторностях для двух трофических типов — анаэробного и смешанного. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

У экспериментаторов было два типа популяций: строго анаэробные и популяции смешанного типа питания — анаэробного и аэробного. Каждый тип был взят в пяти повторностях, все они были потомками одной клетки-прародительницы. В течение 1000 дней (это около 5 тысяч поколений) ежедневно отбирались и отсаживались для дальнейшего размножения самые крупные колонии.

Изменение размера и формы клеток и кластеров-снежинок в начале и в конце 1000-дневного эксперимента. Показаны исходные клетки и кластеры (самый левый квадрат без номера в каждом ряду) и конечный результат в пяти повторностях (1–5). И в анаэробных условиях (РА), и в смешанных (РМ) кластеры заметно укрупнились, но сильнее эффект проявился в анаэробных условиях. При этом изменилась и форма клеток: при РМ они раздулись, а при РА — удлинились. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Уже через 200 дней отбор привел к появлению и поддержанию колоний, существенно более крупных, чем колонии-предшественницы. Анаэробные колонии увеличились по размеру в 20 тысяч раз (!), а колонии смешанного трофического типа — в шесть раз. При этом параметры самих клеток в колониях тоже изменились. Клетки смешанного типа сохранили форму, но увеличились в объеме; их диаметр вырос в среднем вдвое, соответственно выросли и размеры кластеров. Анаэробные клетки сильно вытянулись в длину. Это позволило им наращивать размер колоний, не сильно увеличивая плотность клеточных скоплений (это доказывали, применив модель упаковки кластеров из клеток разной формы и объемов; длинные клетки дают большую свободу упаковок). По-видимому, при рыхлой организации кластера центральные клетки могли более эффективно получать необходимые вещества извне, и таким образом снялось ограничение на разрастание колоний. Анаэробные колонии воспользовались этим и смогли укрупниться в тысячи раз. Авторы подчеркивают, что для формирования многоклеточности оказываются важны и форма клетки, и ее объем: и то, и другое по-своему играет в сторону увеличения размеров многоклеточного скопления.

Реконструкция центральной части колонии PM по серии тонких срезов. Рисунок с сайта research.gatech.edu

Далее ученые выяснили, что в основе этих фенотипических изменений лежала полногеномная дупликация. Во всех повторностях исследование количества ДНК и подсчет числа отдельных реперных аллелей выявили именно полногеномные дупликации. Таким образом, при отборе на размер многоклеточного ансамбля эволюция раз за разом эксплуатировала именно это генетическое решение. Действительно, удвоение генома резко повышает уровень клеточного метаболизма, и клетка получает возможность вырасти и поддерживать крупные размеры. В таком ракурсе полногеномная дупликация выглядит логичной.

Количество ДНК на одну клетку в пересчете на количество ДНК в диплоидной клетке для пяти повторностей в анаэробных и смешанных линиях. Два пика на каждом графике соответствуют отдельным фазам клеточного деления с одиночным и удвоенным числом хромосом перед расхождением дочерних клеток. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

В анаэробных линиях помимо полногеномной дупликации увеличилось число копий отдельных хромосом. Некоторые PA-линии приобрели по 4 копии некоторых конкретных хромосом; причем эти хромосомы умножились не в одной повторности, а в двух или трех. Это наводит на мысль, что в данных хромосомах присутствуют гены, исключительно важные для увеличения размеров. Полногеномная дупликация обеспечила общее укрупнение колоний, а дополнительные копии отдельных хромосом сфокусировались на конкретной задаче, сделав этот процесс более масштабным. Эту идею проверили в дополнительном эксперименте. Авторы сконструировали тетраплоидные PA- и PM-клетки из исходной диплоидной клетки. А затем сравнили размер колоний конструктов и эволюционных линий. Результат сравнения получился вполне ожидаемым: колонии PM — сконструированные и эволюционные — оказались более или менее сходными, а эволюционные колонии PA в 10 раз опережали конкурентов по размеру. Жаль, что в работе не было диплоидных конструктов с умноженными копиями отдельных хромосом. Да, тетраплоидные конструкты сняли вопрос о самом факте совместного действия полногеномной и хромосомной дупликации, но конструкты с отдельными дуплицированными хромосомами могли бы прояснить количественный вклад обеих перестроек.

В условиях идущего отбора на укрупнение колоний тетраплоиды выигрывают конкуренцию у диплоидов. Если смешать в пробирке поровну тетраплоидные и диплоидные клетки, то уже через три дня частота тетраплоидных колоний увеличивается до 82%. Так что, пока сохраняется жесткая отбирающая сила, тетраплоиды, несмотря на несбалансированность и затратность своего генома, могут довольно быстро вытеснить исходных диплоидов. Но если эта сила исчезает, то дрожжи вновь возвращаются к диплоидному состоянию, как это было показано на следующем этапе эксперимента. Таким образом, лишняя геномная копия действительно нестабильна, ей нужно время и поддержание силы отбора, чтобы прижиться и стабилизировать свое положение в новом генетическом окружении, но срабатывает на адаптацию она, тем не менее, превосходно.

Благодаря этой работе проясняются важные детали эволюции с помощью полногеномной дупликации. Этот механизм исключительно эффективный, он приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Нет нужды сначала отлаживать работу нестабильного генома, а уже потом получать адаптационное преимущество. Наоборот — полногеномная дупликация приносит пользу здесь и сейчас, а настройка и стабилизация всего генома происходит потом, если новые жесткие требования среды будут сохраняться в ходе стабилизации генома.

Источник: Kai Tong, Sayantan Datta, Vivian Cheng, Daniella J. Haas, Saranya Gourisetti, Harley L. Yopp, Thomas C. Day, Dung T. Lac, Ahmad S. Khalil, Peter L. Conlin, G. Ozan Bozdag & William C. Ratcliff. Genome duplication in a long-term multicellularity evolution experiment // Nature. 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08689-6.

Елена Наймарк