Mutacje DNA nie zdarzają się przypadkowo – odkrycie zmienia nasz pogląd na ewolucję

Pokonaj szanse w grze losowej na boom

Odkrycie, że rośliny chronią swoje podstawowe geny, zmienia nasz pogląd na ewolucję.

mutacje DNA Według nowych badań przeprowadzonych przez Instytut Biologii im. Maxa Plancka w Tybindze w Niemczech i Uniwersytet Kalifornijski Davis w USA, nie występują one tak losowo, jak wcześniej zakładano. Odkrycia mogą radykalnie zmienić nasz pogląd na ewolucję. Spostrzeżenia mają dalekosiężne implikacje, od lepszej wiedzy na temat udomowienia upraw po prognozy krajobrazu mutacji w nowotworach.

Mutacje, które pojawiają się, gdy DNA ulega uszkodzeniu bez naprawy, są głównym paliwem ewolucji. Centralnym założeniem teorii ewolucji Darwina jest to, że powstaje ona losowo i że tylko dobór naturalny określa, które geny zmieniają się najszybciej, a które wolniej w trakcie ewolucji. To podstawowe założenie zostało teraz postawione na głowie.

„Zawsze myśleliśmy o mutacjach, które pojawiają się tylko przypadkowo w całym genomie” – mówi Gray Munro, adiunkt na Wydziale Nauk Roślinnych Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis i pierwszy autor artykułu badawczego. „Teraz okazuje się, że wzór mutacji jest nie tylko bardzo nielosowy, ale także nielosowy w sposób korzystny dla rośliny”.

„To zupełnie nowe spojrzenie na mutacje i sposób, w jaki działa ewolucja” – komentuje Detlev Weigl, dyrektor naukowy w Instytucie Biologii im. Maxa Plancka i starszy autor badania.

Rzeżucha Trójcy Świętej (Arabidopsis thaliana). Źródło: Instytut Biologii im. Maxa Plancka w Tybindze

Ochrona roślin ze szkodliwymi mutacjami

Naukowcy zasadzili próbki szeroko rozpowszechnionego chwastu Arabidopsis thaliana W chronionym środowisku laboratoryjnym, w którym mogą się rozmnażać wszystkie rośliny, także te ze szkodliwymi mutacjami. Te szkodliwe mutacje są zwykle szybko usuwane przez presję selekcji dominującą w naturze, a zatem znikają, zanim można je zaobserwować. Analizując genomy setek roślin hodowanych w laboratorium, naukowiec był w stanie zidentyfikować tysiące mutacji w miarę ich pojawiania się.

Zaawansowane analizy statystyczne wykazały, że mutacje te nie były w żaden sposób losowo rozmieszczone w genomie, jak oczekiwali naukowcy. Zamiast tego znaleźli fragmenty genomu, w których mutacje były rzadkie, a inne, w których mutacje były częstsze. W tych regionach, w których występuje niewiele mutacji, geny wymagane w każdej komórce, a zatem niezbędne do przetrwania każdej rośliny, były znacznie nadreprezentowane. „Są to regiony genomu, które są najbardziej wrażliwe na szkodliwe skutki nowych mutacji, a zatem naprawa uszkodzeń DNA wydaje się być szczególnie skuteczna w tych regionach” – mówi Weigl. To tak, jakby ewolucja bawiła się obciążonymi kośćmi – zmniejsza to ryzyko uszkodzenia najważniejszych genów.

Rzeżucha miłość rozmnaża się w warunkach laboratoryjnych w szklarni. Źródło: Instytut Biologii im. Maxa Plancka w Tybindze

Nowe spojrzenie na klasyczną teorię ewolucji

Naukowcy odkryli, że różne typy białek, wokół których DNA owija się w jądrze komórkowym, są ściśle związane z pojawieniem się mutacji. „To daje nam dobre pojęcie o tym, co się dzieje, dzięki czemu możemy przewidzieć, które geny najprawdopodobniej ulegną zmianie niż inne” – mówi Munro.

Weigel podkreślił, że wyniki były całkowicie nieoczekiwane w świetle klasycznej teorii ewolucji: „Od dawna wiadomo, że w trakcie ewolucji w niektórych regionach genomu gromadzi się więcej mutacji niż w innych. Na pierwszy rzut oka to, co odkryliśmy, wydaje się aby zaprzeczyć przyjętej mądrości, że to odzwierciedla tylko dobór naturalny, który usuwa większość mutacji, zanim można je faktycznie zaobserwować” – wyjaśnia. Jednak pomimo nierównomiernego rozmieszczenia mutacji w genomie modelowym, ważne regiony nie są ich całkowicie pozbawione, w związku z czym te regiony również mogą ewoluować, choć wolniej niż inne części genomu.

Przyszłe zastosowania w edukacji i badaniach medycznych

„Roślina opracowała sposób na ochronę swoich najważniejszych genów przed mutacjami” – mówi Munro. „To ekscytujące, ponieważ możemy nawet wykorzystać te odkrycia do zastanowienia się, jak chronić ludzkie geny przed mutacjami”. W przyszłości można by ich użyć do przewidywania, które geny są najlepszymi celami do rozmnażania, ponieważ ewoluują szybko lub które z największym prawdopodobieństwem powodują choroby u ludzi.

Odniesienie: „Skrzyżowanie mutacyjne odzwierciedla dobór naturalny u Arabidopsis thaliana” J. Gray Monroe, Thanvi Srikant, Pablo Carbonel-Bigerano, Claude Becker, Marielle Linsink, Moses Exposito Alonso, Mary Klein, Julia Hildebrandt, Manuela Neumann, Daniel Klebstein, Mau-Lun Wing, Eric Imbert, John Agren, Matthew T. Rutter, Charles P. Finnster 12 stycznia 2022 r. charakter temperamentu.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04269-6

Większość prac przeprowadzono w Instytucie Biologii im. Maxa Plancka (dawniej w Instytucie Biologii Rozwojowej im. Maxa Plancka), a obecnie trwają one tam oraz na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. Wkład w prace wnieśli również naukowcy z Carnegie Institution for Science, Stanford University, Westfield State University, Montpellier University, Uppsala University, College of Charleston i South Dakota State University. Fundusze pochodziły od Towarzystwa Maxa Plancka, z dodatkowymi środkami z Narodowej Fundacji Nauki i Niemieckiej Fundacji Badawczej.