Самые быстрые темпы эволюции как структуры, так и регуляции их работы — у генов и сигнальных путей, связанных с иммунитетом и ответом на бактериальные инфекции, выяснили специалисты Института персонализированной онкологии Сеченовского Университета Минздрава России. Исследователи проанализировали почти половину человеческого генома, впервые изучили связь между тем, как проходила структурная и регуляторная эволюция генов и оценили скорости структурной и регуляторной «перестройки» не только для индивидуальных генов, но и для целых генетических ансамблей. Исследование опубликовано в журнале Cells (https://doi.org/10.3390/cells12091299), работа велась в рамках программы создания и развития НЦМУ «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение».

При эволюции генов может меняться как их структура, так и регуляция их работы. Такие изменения влияют на молекулярный и фенотипический портрет клеток и целых организмов и играют ключевую роль в процессах адаптации к окружающей среде.

«Оценивать скорость структурной эволюции генов ученые научились давно, а вот скорость регуляторной эволюции – совсем недавно, когда мы открыли специальный аналитический подход к данной проблеме. Благодаря этому появилась возможность перейти к следующему этапу: проследить, как со временем менялись человеческие гены с точки зрения структуры и регуляции, и понять, были ли данные процессы взаимосвязаны. Это и стало целью нашего нового исследования», – пояснил главный научный сотрудник Института персонализированной онкологии Сеченовского Университета доктор биологических наук Антон Буздин.

Исследователи впервые сравнили эволюционные изменения в структуре генов и их регуляции как на уровне единичных генов, так и на уровне внутриклеточных молекулярных путей, проанализировав 10 890 генов и 2972 молекулярных пути. Как оказалось, для отдельных генов скорости структурной и регуляторной эволюции практически не связаны, а вот на уровне молекулярных путей наблюдалась выраженная корреляция.

Наиболее высокая скорость структурных и регуляторных эволюционных изменений наблюдалась у генов и сигнальных путей, связанных с иммунитетом и ответом на бактериальные инфекции. А самые медленные темпы эволюции оказались связаны с процессами эмбрионального развития и с их регуляцией, а также со структурной организацией ДНК и основополагающими процессами синтеза РНК и белков по хранящимся в ДНК «инструкциям».

Кроме того, в ходе исследования ученые подробно исследовали эволюционную динамику шести основных молекулярных сигнальных путей, связанных с развитием рака. Это позволило выявить, какие механизмы, способствующие росту опухоли, остаются неизменными на протяжении долгого времени, а какие трансформируются быстро. Для большинства изученных молекулярных путей оказались характерны средние темпы эволюции как регуляторных, так и структурных компонентов. Однако среди них ученые обнаружили два особенных случая: связанный с выживанием, ростом и делением клеток путь Akt с ускоренной структурной эволюцией и связанный с дифференцировкой клеток путь Hedgehog, отличающийся замедленной эволюцией обоих компонентов.

Полученные результаты важны для понимания фундаментальных процессов молекулярной эволюции человека. Созданная на их основе специализированная база данных RetroSpect станет полезным инструментом для дальнейших исследований в этой области. Инновационная платформа, несомненно, будет востребована и при изучении молекулярных сигнальных путей, задействованных в развитии онкологических заболеваний.

В исследовании также приняли участие специалисты МФТИ, ИБХ им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, Европейской организации по исследованию и лечению рака (EORTC), компаний Oncobox и OmicsWay. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.