Czy można zwiększyć szanse na udane mutację?

W 1944 roku doktorant-genetyk z uniwersytetu Columbia Evelyn Виткин popełniła błąd losowy. Podczas swojego pierwszego eksperymentu w laboratorium w Cold Spring Harbor w Nowym Jorku ona przypadkowo облучила miliony coliform śmiertelną dawką promieniowania ultrafioletowego. Po powrocie następnego dnia, aby sprawdzić próbki, odkryła, że wszyscy oni nie żyją. Z wyjątkiem jednego, w którym cztery bakteryjne komórki przetrwały i kontynuował wzrost. W jakiś sposób te komórki mogli poradzić sobie z promieniowanie rentgenowskie. Dla Виткин stało udany zbieg okoliczności i to, że wszystkie komórki tej kultury są właśnie tą mutacją, która pomogła im przetrwać — tak udany, że nie wiedziała, czy to był zbieg okoliczności w ogóle.

W ciągu następnych dwudziestu lat Виткин, próbując zrozumieć, jak i dlaczego pojawiły się te mutanty. Jego badania doprowadziły do tzw. SOS-odpowiedzi, mechanizm odzyskiwania DNA, które używają bakterie, gdy ich genomy są uszkodzone; podczas tego procesu dziesiątki geny są aktywne, i szybkość mutacji wzrasta. Mutacje te najczęściej są szkodliwe niż pomocne, ale pozwalają one dostosować, na przykład na promieniowanie światła lub antybiotyki.

Od tego czasu niektórych biologów ewolucyjnych zgarnął pytanie: czy natura taka kolejność? Czy splash mutacji tylko drugorzędnym konsekwencją procesu przywracania, w swej istocie, którego dotyczy błędy? Lub, jak twierdzą niektórzy badacze, wzrost prędkości mutacji — to ewolucyjna adaptacja, która pomaga bakterie szybciej się rozwijać w stresujących warunkach?

Celem badania nie tylko w tym, aby przekonująco wykazać, że brutalna środa powoduje неслучайные mutacji. A także w tym, aby znaleźć roboczy mechanizm, który jest kompatybilny z resztą biologii molekularnej, który mógłby zrobić udane mutacji bardziej prawdopodobne. Różne fale badań bakterii i organizmów bardziej złożonych próbowali znaleźć odpowiedzi na te pytania przez dziesięciolecia.

Ostatni i być może najlepsza odpowiedź — objaśnia niektóre rodzaje mutacji, w każdym razie — wynika z badań drożdży, jak informowaliśmy w czerwcu w PLOS Biology. Grupa naukowców na czele z Jonathanem Хаусли, specjalistą w zakresie biologii molekularnej i genetyki w Instytucie Бабрахама w Cambridge, zaproponowała mechanizm, który powoduje, że więcej mutacji genomu drożdży w tych regionach, w których może stać się najbardziej adaptacyjne.

"To zupełnie nowy sposób, za pomocą którego środowisko może mieć wpływ na genom i pozwolić się dostosować w razie potrzeby. Jest to jeden z najbardziej ukierunkowanych procesów, które widzieliśmy", mówi Philippe Hastings, profesor cząsteczkowa i ludzkiej genetyki Medycznej Бейлора, nie brał udziału w eksperymentach grupy Хаусли. Inni naukowcy poparli tę pracę, ale z zastrzeżeniem, że kontrowersyjne pomysły wymagają większego wsparcia faktami.

Wzrost różnorodności w genomie

"Zamiast zadawać bardzo szerokie pytanie typu "czy zawsze są przypadkowe mutacje?", postanowiłem uciec się do bardziej механистическому podejściu", mówi Хаусли. On i jego koledzy zwrócili uwagę na szczególny rodzaj mutacji pod nazwą zmienności liczby kopii. DNA często zawiera wiele kopii zaawansowanych sekwencji par zasad lub nawet całych genów. Dokładna liczba może się różnić od osoby do индивиду, bo gdy komórki dzielą swoje DNA do podziału komórek, błędnie mogą dodawać lub usuwać kopie sekwencji genów. U ludzi, na przykład 5-10% genomu wykazują zmienności liczby kopii od człowieka do człowieka — i czasami te zmiany wiążą się z nowotworem, cukrzycą, autyzmem i wielu chorób genetycznych. Хаусли podejrzewa, że przynajmniej w niektórych przypadkach ta odmiana w liczbie genów może być odpowiedzią na stres lub zagrożenia w środowisku.

W 2015 roku Хаусли i jego koledzy opisali mechanizm, dzięki któremu komórki drożdży, wygląda na to, otrzymywali dodatkowe zmienności liczby kopii w genach związanych z rybosomów, części komórki, która syntetyzuje białka. Jednak nie udowodnił, że ten wzrost był ukierunkowane adaptacyjne odpowiedzią na zmianę lub ograniczenie w komórki środowisku. Jednak wydało im się, że drożdże robią więcej kopii рибосомных genów, kiedy składników odżywczych w bród, a zapotrzebowanie na coraz białka może być wyżej.

Dlatego Хаусли postanowił sprawdzić, czy podobne mechanizmy bezpośrednio wpływać na geny, активируясь niebezpiecznymi zmianami środowiska. W swojej pracy 2017 roku wraz z zespołem skupił się na CUP1, genie, który pomaga owoc oprzeć toksyczne wpływy miedzi. Okazało się, że gdy drożdże są narażone na miedzi, zmienności liczby kopii CUP1 w komórkach rosną. Średnio w większości komórek mniej kopii tego genu, ale drożdżowe komórki zyskiwali więcej — około 10% całkowitej populacji — i stały się odporne na miedzi, dzięki czemu zaczęły się rozwijać. "Niewielka liczba komórek, które zrobiliśmy wszystko poprawnie, znaleźli się w takiej przewadze, co mogli pokonać wszystkie inne".

Ale to zmiana sama w sobie nie znaczy wiele: jeśli miedź w środowisku powodował mutacji, to zmiana zmienności liczby kopii CUP1 mogło być nie więcej niż konsekwencją wyższej prędkości mutacji. Aby wykluczyć tę możliwość, naukowcy sprytnie przerobione gen CUP1, aby reagował na nieszkodliwy, nie mutagenicznym substancją cukier, галактозу, zamiast miedzi. Gdy zmienione drożdżykomórki narażone na galaktozy, zmienność liczby kopii też zmieniała się.

Komórki, wygląda na to, kierowano więcej odmian w odpowiednie miejsce w genomie, gdzie te byłyby przydatne. Po spędzeniu prace dodatkowe, naukowcy zidentyfikowali elementy biologicznego mechanizmu, który stoi za tym zjawiskiem. Wiadomo było, że gdy komórki powiela swoje DNA, mechanizm replikacji czasami zatrzymuje się. Zazwyczaj mechanizm może uruchomić się ponownie i kontynuować pracę w miejscu, gdzie zatrzymał się. A gdy on nie może, komórka powraca do początku replikacji, ale czasami przypadkowo usuwa sekwencja genów, albo co więcej jej kopie. To prowadzi do zwykłej zmienności liczby kopii. Ale Хаусли i jego zespół doszli do wniosku, że kombinacja czynników prowadzi do tego, że te błędy kopiowania najprawdopodobniej wpływają geny, które aktywnie reagują na stres ze strony otoczenia, a to oznacza, że najprawdopodobniej wykazują zmienność liczby kopii.

Kluczowe jest tutaj to, że te efekty koncentruje się na genach, reagujących na środowisko, i że mogą dać doboru naturalnego dodatkowe możliwości dokładnego ustawienia poziomów ekspresji genów, które będą optymalne w odniesieniu do niektórych problemów. Wyniki, jak się wydaje, są dane doświadczalne o tym, co trudne środowisko może stymulować komórki do kontroli tych genetycznych zmian, które maksymalnie poprawić ich kształt. Mogą również przypominać stare додарвинские pomysły francuskiego przyrodnika Jeana-Baptista Lemarc, który uważał, że organizmy ewoluują podczas przesyłania zakupionych w środowisku cechy swojemu potomstwu. Хаусли sam twierdzi, że to tylko powierzchowne podobieństwo.

"utożsamialiśmy mechanizm, który powstał w całości w procesie darwinowskiej selekcji przypadkowych mutacji i który stymuluje неслучайные mutacji w przydatnych miejscach", mówi Хаусли. "To nie ламарковская adaptacja. Wszystko to prowadzi do jednego i tego samego, ale bez problemów, związanych z ламарковской adaptacją".

Adaptacyjne mutacja i spory

Z 1943 roku, kiedy mikrobiolog Salvador Łurija i биофизик Max Delbrück wykazał eksperyment, wprowadziło nagrodę nobla naukowcom, w którym mutacje escherichia coli odbywały się przypadkowo, obserwacji SOS-odpowiedź u bakterii stopniowo zmusiły biologów zastanowić się, czy w tym przepisie być ważne odwrotu. Na przykład, w spornej pracy opublikowanej w "Nature" w 1988 roku John Cairns z Harvardu i jego zespół odkryli, że kiedy umieścili bakterii, które nie переваривали laktozy w molochnoye saharze, w środowisko, w którym cukier był jedynym źródłem pożywienia, wkrótce komórka ma zdolność do przekształcenia laktozy w energię. Cairns twierdził, że wynik ten pokazuje, że komórki zostały mechanizmy, które pozwalają im produkować przykładowe mutacji, którzy znajdowali się pomocne.

Eksperymentalne potwierdzenie tej idei okazało się niewystarczające, ale niektórzy biolodzy inspirowane stać się zwolennikami szerszej teorii adaptacyjne mutacji. Uważają, że nawet jeśli komórki nie mogą prowadzić dokładną mutacji w określonych warunkach, mogą się dostosować, zwiększając szybkość mutacji i przyczynia się zmianom genetycznym.

Praca zespołu Хаусли, wygląda na to, doskonale wpisuje się w tę teorię. U barmy mechanizmu "nie ma wyboru, stojącego przed mechanizmem, który mówi: muszę mutacji tego genu, aby rozwiązać problem", mówi Patricia Foster, biolog z Uniwersytetu w Indianie. "To pokazuje, że można przyspieszyć ewolucję".

Hastings z Baylor, zgadzam się z nią i zauważa fakt, że mechanizm Хаусли wyjaśnia, dlaczego dodatkowe mutacje nie zachodzą w całym genomie. "Trzeba przepisać gen, aby to się stało".

Teoria adaptacyjnych mutacji, jednak малоприемлема dla większości biologów, a wiele z nich sceptycznie odnoszą się do oryginalnych eksperymentów Cairns i nowym — Хаусли. Twierdzą oni, że nawet jeśli większa szybkość mutacji pozwala dostosować się do ciśnienia otoczenia, udowodnić, że zwiększona szybkość mutacji jest sama w sobie adaptacją do ciśnienia, przekonująco będzie bardzo trudne. "Ta interpretacja jest atrakcyjna na poziomie intuicyjnym", mówi John Roth, genetyk i mikrobiolog z uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, "ale nie wydaje się prawidłowe. Nie wierzę, że te przykłady spowodowanych ciśnieniem mutacji są poprawne. Mogą być i inne, nie są najbardziej oczywiste wyjaśnienie tego zjawiska".

"Myślę, że praca Хаусли piękna i nadaje się do sporu o adaptacyjne mutacje," mówi Paul Снеговски, biolog z Uniwersytetu Pensylwanii. "Ale to jest tylko hipoteza". Aby potwierdzić ją z ufnością, "trzeba sprawdzić jej tak, jak to robią ewolucyjne biolożki" — tworząc model teoretyczny i określenie, czy ta adaptacyjne мутируемость rozwijać się w rozsądnym przedziale czasu, a następnie na niektórych populacjach organizmów w laboratorium wdrożyć ten mechanizm.

Pomimo niedowiarków, Хаусли i jego drużyna wytrwały w swoich badaniach i uważają je za niezbędne dla zrozumienia raka i innych biomedycznych problemów. "Rozwój nowotworów opornych na chemioterapię, jest powszechne i jest poważną przeszkodą w leczeniu tej choroby," mówi Хаусли. Uważa on, że chemioterapia i inne ciśnienie wywierane na nowotwór, mogą zachęcać guza do dalszej mutacji, w tym produkcję oporności na leki.

"Jesteśmy aktywni", mówi Хаусли, "alewszystko jeszcze przed nami".

Na podstawie materiałów Quanta