Mutácie DNA sa nedejú náhodne – objav mení náš pohľad na evolúciu

Prekonanie šancí v hre Šanca na mutáciu

Objav, že rastliny chránia svoje najpodstatnejšie gény, zmenil náš pohľad na evolúciu.

mutácia DNA Podľa nového výskumu Inštitútu Maxa Plancka pre biológiu Tübingen v Nemecku a University of California Davis v USA k tomu nedochádza náhodne, ako sa predtým verilo. Zistenia majú potenciál dramaticky zmeniť náš pohľad na evolúciu. Tieto poznatky majú ďalekosiahle dôsledky, od zlepšených znalostí o domestikácii plodín až po predpovede mutačnej krajiny pri rakovine.

Mutácie, ku ktorým dochádza, keď je DNA poškodená a ponechaná bez opravy, sú hlavným palivom evolúcie. Ústredným predpokladom Darwinovej evolučnej teórie je, že vznikajú náhodne a iba prirodzený výber určuje, ktoré gény sa počas evolúcie menia rýchlejšie a ktoré pomalšie. Tento základný pojem bol teraz rozšírený.

„Vždy sme mysleli na mutácie v genóme náhodou,“ hovorí Gray Monroe, odborný asistent na Katedre rastlinných vied UC Davis a prvý autor článku. „Teraz sa ukazuje, že vzor mutácie nie je len veľmi nenáhodný, ale že je tiež nenáhodný, čo rastline prospieva.“

„Je to úplne nový pohľad na spôsob, akým fungujú mutácie a evolúcia,“ komentoval Detlef Weigel, vedecký riaditeľ Inštitútu Maxa Plancka pre biológiu a hlavný autor štúdie.

žerucha thalská (Arabidopsis thaliana). kredit: Inštitút Maxa Plancka pre biológiu Tübingen

Ochrana rastlín so škodlivými mutáciami

Výskumníci vyvíjajú široko distribuované vzorky buriny Arabidopsis thaliana V chránenom laboratórnom prostredí, kde sa môžu rozmnožovať všetky rastliny, vrátane tých so škodlivými mutáciami. Takéto škodlivé mutácie sú zvyčajne rýchlo odstránené selekčnými tlakmi prevládajúcimi v prírode, a preto zmiznú skôr, ako sú pozorované. Analýzou genómov stoviek rastlín pestovaných v laboratóriu môžu vedci identifikovať tisíce mutácií, keď vznikli.

Sofistikované štatistické analýzy ukázali, že tieto mutácie neboli náhodne distribuované v genóme, ako vedci očakávali. Namiesto toho našli časti genómu, kde boli mutácie zriedkavé, a iné, kde boli mutácie bežnejšie. V oblastiach s malým počtom mutácií boli gény nevyhnutné v každej bunke, a teda nevyhnutné pre prežitie každej rastliny, nadmerne zastúpené. „Toto sú oblasti genómu, ktoré sú najzraniteľnejšie voči škodlivým účinkom nových mutácií,“ hovorí Weigel, „a oprava poškodenia DNA sa preto zdá byť obzvlášť účinná v týchto oblastiach.“ Akoby sa evolúcia hrala s nabitými kockami – minimalizuje riziko poškodenia najdôležitejších génov.

Chov žeruchy vakovej v laboratórnych podmienkach v skleníku. kredit: Inštitút Maxa Plancka pre biológiu Tübingen

Nový pohľad na klasickú evolučnú teóriu

Vedci zistili, že rôzne typy proteínov, okolo ktorých je DNA obalená v jadre bunky, vysoko korelujú s prítomnosťou mutácií. „Dáva nám to dobrú predstavu o tom, čo sa deje, aby sme mohli predpovedať, ktoré gény s väčšou pravdepodobnosťou zmutujú ako iné,“ hovorí Monroe.

Weigel zdôraznil, že výsledky boli vo svetle klasickej evolučnej teórie úplne neočakávané: „Už dlho je známe, že počas evolúcie sa v niektorých oblastiach genómu nahromadí viac mutácií ako v iných oblastiach. Na prvý pohľad sa zdá, že to, čo sme zistili, je v rozpore s uznávaná múdrosť, že odráža prirodzený výber odstránením väčšiny mutácií skôr, ako sú skutočne pozorované,“ vysvetľuje. Napriek nerovnomernej distribúcii mutácií v špecifickom genóme však kritické oblasti nie sú úplne zbavené, a preto sa tieto oblasti môžu tiež vyvíjať, aj keď pomalšie ako v iných častiach genómu.

Budúce využitie v reprodukčnom a lekárskom výskume

„Rastlina si vyvinula spôsob, ako chrániť svoje najdôležitejšie gény pred mutáciou,“ hovorí Monroe. „Je to vzrušujúce, pretože tieto objavy môžeme použiť aj na premýšľanie o tom, ako chrániť ľudské gény pred mutáciami.“ V budúcnosti by sa dali použiť na predpovedanie toho, ktoré gény sú najlepšími cieľmi pre reprodukciu, pretože sa rýchlo vyvíjajú, alebo ktoré spôsobujú choroby u ľudí.

Odkaz: „Mutation bias odráža prirodzený výber v Arabidopsis thaliana“ od J. Gray Monroe, Thanvi Srikanth, Pablo Carbonell-Bezzerano, Claude Baker, Marielle Lensink, Moises Exposito-Alonso, Marie Klein, Julia Hildebrandt, Manuela Neumann, Mao Klebenstein, „. -Lun Weng, Eric Imbert, John Agren, Matthew T. Rutter, Charles B. Fenster a Detlef Weigel, 12. januára 2022, prírody,
DOI: 10.1038/s41586-021-04269-6

Veľká časť práce sa vykonala v Inštitúte Maxa Plancka pre biológiu (predtým Inštitút Maxa Plancka pre vývojovú biológiu) av súčasnosti sa v nej pokračuje aj tam, ako aj na UC Davis. K práci prispeli aj výskumníci z Carnegie Institution for Science, Stanford University, Westfield State University, University of Montpelier, Uppsala University, College of Charleston a South Dakota State University. Financovanie pochádzalo od Spoločnosti Maxa Plancka a ďalšie financie od Národnej vedeckej nadácie a Nemeckej výskumnej nadácie.