Se è possibile aumentare le probabilità di successo della mutazione?

Nel 1944, studente laureato in genetica medica dell'università di Columbia Evelyn Witkin ha commesso l'errore occasionale. Durante il suo primo esperimento nel laboratorio di Cold Spring Harbor, New York, lei accidentalmente облучила milioni di escherichia coli una dose letale di luce ultravioletta. Tornato il giorno dopo per verificare i campioni, ha scoperto che sono tutti morti. Tranne uno, in cui quattro cellule batteriche sono sopravvissuti e hanno continuato la crescita. In qualche modo queste cellule sono in grado di far fronte con radiazioni ultraviolette. Per Witkin è diventato una fortunata coincidenza e che tutte le cellule di questa cultura hanno avuto esattamente la mutazione, che li ha aiutati a sopravvivere — così successo che aveva, se era una coincidenza in generale.

Nel corso dei prossimi venti anni Witkin ha cercato di capire come e perché ci sono stati questi mutanti. La sua ricerca ha portato alla cosiddetta SOS-risposta, il meccanismo di recupero del DNA, che utilizzano i batteri, quando il loro genoma si trovano ad essere danneggiato; durante questo recupero di decine di geni diventano attivi, e il tasso di mutazione aumenta. Queste mutazioni spesso dannosi che utili, ma permettono di adattarsi, ad esempio, a luce ultravioletta o antibiotici.

Da allora, alcuni biologi evolutivi collezionato una domanda: se supporta la natura di tale ordine? Se spruzzata di mutazioni solo secondario conseguenza di un processo di recupero, per sua natura suscettibile di errori? O, come sostengono alcuni ricercatori, aumento del tasso di mutazione è un adattamento evolutivo, che aiuta i batteri a sviluppare più velocemente in condizioni di stress?

Scientifica il compito non è solo quello di dimostrare in modo convincente che la dura ambiente provoca неслучайные mutazione. E anche quello di trovare un meccanismo di lavoro, compatibile con il resto della biologia molecolare, che potrebbe fare successo mutazioni più probabili. Varie ondate di ricerca di batteri e organismi più complessi hanno cercato di trovare le risposte a queste domande per decenni.

L'Ultima e forse la risposta migliore — spiega alcuni tipi di mutazioni, in ogni caso — è apparso degli studi di lievito, come riportato nel mese di giugno in PLOS Biology. Un gruppo di scienziati guidati da Jonathan Housley, un esperto di biologia molecolare e genetica presso l'Istituto Бабрахама all'università di Cambridge, ha proposto il meccanismo che causa le mutazioni del genoma di lievito in quelle regioni in cui può diventare più flessibile.

«Questo è un modo completamente nuovo, con cui l'ambiente può influenzare il genoma e permettere di adattarsi, se necessario. Questo è uno dei più volti dei processi, che abbiamo visto», dice Filippo Hastings, il professor di biologia molecolare e della genetica umana alla Facoltà di medicina Baylor, non era stato coinvolto negli esperimenti di un gruppo di Housley. Altri studiosi hanno sostenuto questo lavoro, ma con l'avvertenza che le controverse idee richiedono un maggiore sostegno con i fatti.

Aumento della diversità nel genoma

«Invece di porre una domanda molto ampia di tipo «sempre se sono casuali mutazioni?», ho deciso di ricorrere a più механистическому approccio», dice Housley. Lui e i suoi colleghi hanno attirato l'attenzione su un particolare tipo di mutazione chiamato variazioni del numero di copie. Il DNA contiene spesso un sacco di copie avanzate sequenze di coppie di basi o anche di interi geni. Il numero esatto può variare da individuo a persona, perché quando le celle si dividono il suo DNA e la divisione delle cellule, erroneamente possono essere inseriti o eliminati copie di sequenze di geni. Le persone, ad esempio, il 5-10% del genoma dimostrano le variazioni del numero di copie da persona a persona — e a volte queste variazioni associati con il cancro, il diabete, l'autismo e un sacco di malattie genetiche. Housley sospetta che almeno in alcuni casi, questa variazione nel numero dei geni può essere la risposta a stress o di pericolo per l'ambiente.

Nel 2015 Housley e i suoi colleghi hanno descritto il meccanismo con cui le cellule di lievito, a quanto pare, ha ricevuto ulteriori variazioni del numero di copie di geni associati con i ribosomi, le parti delle cellule, che sintetizza le proteine. Tuttavia, essi non hanno dimostrato che questo aumento era mirato adattivo risposta al cambiamento o la limitazione nell'ambiente cellulare. Tuttavia sembrava che il lievito fanno più copie рибосомных geni, quando le sostanze nutritive in abbondanza, e la necessità di ottenere proteine può essere superiore.

Quindi Housley ha deciso di verificare se tali meccanismi di influenzare direttamente sui geni, активируясь pericolosi cambiamenti ambientali. Nel suo lavoro 2017, insieme con il team si è concentrato sulla CUP1, un gene che aiuta il lievito a resistere tossico influenze di rame. Essi hanno scoperto che quando il lievito esposti al rame, variazione del numero di copie CUP1 in cellule crescono. In media nella maggior parte delle cellule meno copie di questo gene, ma le cellule di lievito acquistato di più — circa il 10% della popolazione generale e sono diventati resistenti al rame, e grazie a ciò ha cominciato a fiorire. «Un piccolo numero di cellule, che hanno fatto tutto correttamente, hanno dimostrato di essere in questo vantaggio, che potrebbero superare tutti gli altri».

Ma questo cambiamento di per sé non significa molto: se il rame in un ambiente chiamato mutazione, cambiamento variazioni del numero di copie CUP1 potrebbe essere non più di conseguenza più alto tasso di mutazione. Per escludere questa possibilità, i ricercatori hanno sapientemente ridisegnato il gene CUP1, per rispondere a innocuo, non mutageno lo zucchero, il galattosio, invece di rame. Quando modificate lievitole cellule sono stati esposti galattosio, variazione del numero di copie è anche cambiata.

Le Cellule, a quanto pare, hanno guidato le variazioni nel posto giusto nel genoma, dove gli sarebbero stati utili. Dopo aver trascorso un lavoro extra, gli scienziati hanno identificato gli elementi di un meccanismo biologico che sta dietro a questo fenomeno. Era noto che quando le cellule replicano il suo DNA, il meccanismo di replica a volte si ferma. Di solito meccanismo può essere riavviato e continuare a lavorare in quel luogo, dove si fermò. Quando lui non può, cellula ritorna all'inizio di replica, ma a volte elimina accidentalmente una sequenza di geni o fa altre copie. Questo porta ad una normale variazione del numero di copie. Ma Housley e il suo team ha concluso che la combinazione di fattori porta al fatto che questi errori di copia probabile che colpiscono i geni, che sono attivamente rispondono alle sollecitazioni da parte dell'ambiente, e quindi molto probabilmente dimostrano la variazione del numero di copie.

La Chiave qui è che questi effetti sono concentrati sui geni sensibili per l'ambiente, e che possono dare selezione naturale funzionalità avanzate per ottimizzare i livelli di espressione dei geni, che sono ottimali in relazione a specifici problemi. I risultati, come sembra, sono dati sperimentali che di un ambiente complesso in grado di stimolare le cellule al controllo di queste alterazioni genetiche, che più miglioreranno la loro forma. Essi possono anche ricordare obsoleti додарвинские idee dal naturalista francese Jean-Baptiste Lamarque, che credeva che gli organismi si evolvono durante la trasmissione acquistati in un ambiente specifiche per la sua prole. Housley stesso sostiene che la somiglianza è solo superficiale.

«Abbiamo identificato un meccanismo che è nato tutto nel processo darwiniano di selezione di mutazioni casuali e che stimola неслучайные mutazioni utili pubbliche», dice Housley. «Non è ламарковская adattamento. Tutto questo porta solo ad uno e lo stesso, ma senza i problemi connessi con ламарковской adattamento».

Adaptive mutazione e polemiche

A partire Dal 1943, quando il microbiologo Salvador Luria e biofisica Max Delbruck hanno dimostrato l'esperimento, che ha portato il premio nobel agli scienziati, in cui la mutazione di e. coli sono avvenuti per caso, osservando SOS-la risposta batteri gradualmente costretto biologi riflettere, se in regola essere importanti ritirata. Ad esempio, nel controverso lavoro, pubblicato su Nature nel 1988, John Cairns di Harvard e il suo team hanno scoperto che quando hanno messo i batteri, che non digerire il lattosio nel sahara, in un ambiente in cui lo zucchero è stato l'unica fonte di cibo, presto le celle hanno avuto la capacità di convertire il lattosio in energia. Cairns ha affermato che questo risultato dimostra che le cellule sono i meccanismi che consentono loro di produrre mutazioni casuali, che hanno trovato utili.

Conferma Sperimentale di questa idea si è rivelata insufficiente, ma alcuni biologi si sono ispirati a diventare sostenitori di una più ampia teoria della mutazione adattativa. Essi ritengono che, anche se le cellule non possono guidare l'esatta mutazione in determinate condizioni, possono adattarsi, aumentando la velocità di mutazione e promuovendo cambiamenti genetici.

Il team di Lavoro Housley, a quanto pare, si inserisce perfettamente in questa teoria. Il lievito di meccanismo di «non scelta, in piedi di fronte a un meccanismo che recita: devo mutare questo gene, per risolvere il problema», dice Patricia Foster, biologo dell'Università dell'Indiana. «Questo dimostra che l'evoluzione possibile di accelerare».

Hastings di Baylor di medicina d'accordo con lei e sottolinea il fatto che il meccanismo di Housley spiega perché per ulteriori mutazioni non si verificano in tutto il genoma. «C'è bisogno di riscrivere il gene per rendere questo accada».

La Teoria di adattamento mutazioni, tuttavia, малоприемлема per la maggior parte dei biologi, e molti di loro sono scettici originale sperimentazione di Cairns e il nuovo — Housley. Essi sostengono che, anche se più alto tasso di mutazioni permette di adattarsi alla pressione dell'ambiente, di dimostrare che una maggiore velocità di mutazione è di per sé un adattamento alla pressione, convincente sarà molto difficile. «Questa interpretazione è attraente a livello intuitivo», dice John Bocca, la genetica e microbiologo dell'università della California a Davis, «ma non mi sembra corretto. Non credo che questi esempi sono causati dalla pressione mutazioni siano corrette. Possono essere altri, non i più evidenti spiegazione di questo fenomeno».

«Penso che il lavoro Housley bello e adatto alla controversia sull'adaptive mutazione», dice Paul Снеговски, biologo dell'Università della Pennsylvania. «Ma lei è solo un'ipotesi». Per confermare con certezza «dovrà controllare il suo modo, come fanno i biologi evoluzionisti» — creazione di un modello teorico e definendo, se questa adaptive мутируемость svilupparsi in un ragionevole lasso di tempo, e poi su alcune popolazioni di organismi in laboratorio per realizzare questo meccanismo.

Nonostante dubbiosi, Housley e il suo team persistente nei suoi studi e li considerano essenziali per la comprensione del cancro e altri problemi biomedici. «Lo sviluppo del cancro, resistente alla chemioterapia, è un fenomeno comune e costituisce un serio ostacolo per il trattamento di questa malattia», dice Housley. Egli ritiene che la chemioterapia e l'altro la pressione esercitata sul tumore, possono incoraggiare il tumore a ulteriori mutazioni, tra cui la produzione di resistenza ai farmaci.

«Stiamo lavorando attivamente», dice Housley, «maancora avanti».

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