Im Jahr 1944 Doktorand Genetiker an der Columbia University Evelyn Виткин hat einen zufälligen Fehler. Bei Ihrem ersten Experiment im Labor in cold Spring Harbor in New York ist Sie zufällig облучила Millionen von koliformen einer tödlichen Dosis UV-Licht. Nach der Rückkehr am nächsten Tag, um die Proben zu überprüfen, stellte Sie fest, dass Sie alle tot sind. Außer einem, in dem die vier bakteriellen Zellen überlebten und weiter zu wachsen. Irgendwie könnten diese Zellen mit UV-Bestrahlung zu bewältigen. Für Виткин wurde von einem glücklichen Zufall und die Tatsache, dass alle Zellen dieser Kultur haben genau die Mutation, die Ihnen half zu überleben — so erfolgreich, dass Sie bezweifelte, ob es Zufall überhaupt.
Im Laufe der nächsten zwanzig Jahre Виткин versuchte zu verstehen, wie und warum kamen diese Mutanten. Seine Forschung führte zu der sogenannten SOS-Antwort, Recovery-Mechanismus von DNA, die Bakterien nutzen, wenn Ihre Genome sind beschädigt; während dieser Wiederherstellung Dutzende Gene aktiv werden, und die Geschwindigkeit der Mutationen erhöht. Diese Mutationen meistens schädlich, als nützlich, aber Sie können anpassen, Z. B. zum UV-Licht oder Antibiotika.
Seitdem einige evolutionäre Biologen quälte die Frage: ob die Natur eine solche Ordnung? Ob Splash Mutationen nur eine sekundäre Folge des Prozesses der Wiederherstellung, im wesentlichen fehleranfällige? Oder, wie einige Forscher behaupten, die Zunahme der Mutation ist eine evolutionäre Anpassung, die hilft, Bakterien schneller entwickeln unter Stress?
Die wissenschaftliche Aufgabe besteht nicht nur darin, überzeugend zu demonstrieren, dass die strenge Umgebung verursacht nicht-zufällige Mutationen. Sowie in der Tatsache zu finden Workflow-Mechanismus, kompatibel mit dem Rest der Molekularbiologie, der konnte einen erfolgreichen Mutationen mehr wahrscheinlich. Verschiedene Wellen-Studien Bakterien und komplexer Organismen haben versucht, Antworten auf diese Fragen seit Jahrzehnten.
Die Letzte und vielleicht beste Antwort — das erklärt einige Arten von Mutationen, jedenfalls — erschien aus der Forschung Hefe, wie im Juni in PLOS Biology. Eine Gruppe von Wissenschaftlern mit Jonathan Хаусли, Spezialist für Molekularbiologie und Genetik am Institut für Бабрахама in Cambridge, vorgeschlagen, einen Mechanismus, der verursacht mehr Mutationen des Genoms der Hefe in jenen Regionen, in denen kann die adaptiv.
«Es ist eine völlig neue Methode, mit deren Hilfe die Umwelt kann Einfluss auf das Genom und erlauben bei Bedarf anzupassen. Dies ist einer der Prozesse gerichtet, die wir gesehen haben», sagt Philip Hastings, Professor der molekularen und der menschlichen Genetik in der Medizinischen Hochschule Baylor University, der sich nicht durch eine Teilnahme an den Experimenten der Gruppe Хаусли. Andere Wissenschaftler unterstützten diese Arbeit, aber mit der Einschränkung, dass die umstrittene Ideen erfordern mehr Unterstützung von den Tatsachen.
Die Zunahme der Biodiversität im Genom
«Anstatt zu Fragen, eine sehr Breite Frage nach der Art «immer, ob Mutationen zufällig sind?», ich habe beschlossen, Rückgriff auf mehr механистическому Ansatz», sagt Хаусли. Er und seine Kollegen achteten auf eine ganz Besondere Art von Mutation unter dem Namen Variation der Anzahl der Kopien. DNA enthält oft viele Kopien von erweiterten Sequenzen von Basenpaaren oder sogar ganze Gene. Die genaue Anzahl kann variieren von Individuum zu Individuum, denn wenn die Zellen teilen, um Ihre DNA vor der Zellteilung, können fälschlicherweise eingefügt oder gelöscht werden Kopien der Sequenzen von Genen. Bei Menschen, Z. B. 5-10% des Genoms zeigen die Variation der Anzahl der Kopien von Mensch zu Mensch — und manchmal sind diese Variationen verbindet man mit Krebs, Diabetes, Autismus und einer Vielzahl von genetischen Störungen. Хаусли vermutet, dass zumindest in einigen Fällen diese Variation in der Zahl der Gene kann eine Reaktion auf Stress oder Gefahr in der Umwelt.
Im Jahr 2015 Хаусли und seine Kollegen beschreiben einen Mechanismus, durch die Hefe-Zellen, so scheint es, wurden weitere Variationen der Anzahl der Kopien der Gene, die im Zusammenhang mit den Ribosomen, die Teile der Zelle, die Proteine synthetisiert. Aber Sie ist nicht bewiesen, dass diese Zunahme wurde gezielt adaptiven Reaktion auf eine änderung oder Einschränkung in der Umgebung. Allerdings schien Ihnen, dass die Hefe machen mehr Kopien рибосомных Gene, wenn die Nährstoffe in Hülle und fülle, und der Bedarf an Protein kann höher sein.
Deshalb Хаусли beschlossen, um zu überprüfen, ob ähnliche Mechanismen direkten Einfluss auf die Gene, активируясь gefährliche Veränderungen in der Umwelt. In seiner Arbeit 2017 zusammen mit dem Team konzentrierte er sich auf CUP1, gen, die hilft, Hefe zu widerstehen toxische Wirkungen des Kupfers. Sie fanden heraus, dass, wenn die Hefe ausgesetzt sind Kupfer, Variation der Anzahl der Kopien CUP1 in den Zellen wachsen. Im Durchschnitt in den meisten Zellen weniger Kopien dieses Gens, aber Hefe-Zellen mehr gekauft — etwa 10% der gesamten population — und Stahl resistent gegen Kupfer, wodurch das gedeihen begann. «Eine kleine Anzahl von Zellen, die haben alles richtig gemacht, waren in solchen Vorteil, dass Sie zu übertreffen alle anderen».
Aber diese änderung an sich nicht viel bedeutete: wenn Kupfer in der Umwelt verursacht eine Mutation ist, dann ist die Variation der Anzahl der Kopien CUP1 möglicherweise nicht mehr als eine Konsequenz der höheren Geschwindigkeit der Mutation. Um diese Möglichkeit auszuschließen, haben die Forscher geschickt haben das gen CUP1, dass er reagierte auf die Harmlose, nicht mutagen Zucker, Galactose, statt Kupfer. Wenn die geänderten Hefe-Zellen ausgesetzt waren Galactose, Variation der Anzahl der Kopien auch verändert.
Die Zellen scheinen richteten mehr Variationen an den richtigen Ort im Genom, wo die nützlich sein würde. Nachdem er eine weitere Arbeit, die Wissenschaftler identifizierten Elemente des biologischen Mechanismus steht hinter diesem Phänomen. Es war bekannt, dass, wenn die Zellen replizieren Ihre DNA, Replikation manchmal Stoppt. Normalerweise ist der Mechanismus kann rebooten und weiterarbeiten an der Stelle, wo er aufgehört hatte. Wenn er das nicht kann, der Käfig kehrt an den Anfang der Replikation, aber manchmal versehentlich zerstört die Reihenfolge von Genen oder macht zusätzliche Kopien. Dies führt zu den üblichen Variationen der Anzahl der Kopien. Aber Хаусли und sein Team kamen zu dem Schluss, dass die Kombination von Faktoren führt dazu, dass diese Fehler kopieren wahrscheinlich schlagen die Gene, die aktiv reagieren auf die Belastungen seitens der Umwelt, und damit wahrscheinlich zeigen eine Variation der Anzahl der Kopien.
Das Stichwort hier ist, dass diese Effekte auf die Gene konzentriert, reagieren auf die Umwelt, und was Sie geben können Natürliche Zuchtwahl zusätzliche Möglichkeiten für die Feinabstimmung der Ebenen der Genexpression, die optimal in Bezug auf bestimmte Probleme. Die Ergebnisse zeigen, zeigen experimentelle Daten, dass eine komplexe Umgebung kann stimulieren die Zellen zur Kontrolle dieser genetischen Veränderungen, die maximal verbessern Ihre Form. Sie können auch daran erinnern veraltete додарвинские Ideen des französischen Naturforschers Jean-Baptist Lamarck, der meinte, dass die Organismen entwickeln sich bei der übergabe in der Umwelt erworbenen Eigenschaften an Ihre Nachkommen. Хаусли behauptet, dass diese ähnlichkeit nur eine oberflächliche.
«Wir kennzeichneten eine Vorrichtung, die sich ganz in den Prozess der Darwinschen Selektion von zufälligen Mutationen und das die nicht-zufällige Mutationen in nützlichen Bereichen», sagt Хаусли. «Es ist nicht ламарковская Anpassung. All dies führt nur zu dem gleichen, aber ohne die Probleme im Zusammenhang mit ламарковской Adaption».
Adaptive Mutation und Streitigkeiten
Seit 1943, als Mikrobiologe Salvador Luria und Biophysiker Max Delbrück Experiment zeigten, brachte die Wissenschaftler den Nobelpreis, in dem die Mutation von E. coli geschahen durch Zufall, Beobachtung der SOS-Antwort bei Bakterien allmählich Biologen gezwungen, darüber nachzudenken, ob in dieser Regel werden wichtige Rückzugs. Zum Beispiel in der umstrittenen Arbeit, veröffentlicht in Nature im Jahr 1988, John Cairns von der Harvard-Universität und sein Team haben herausgefunden, dass, wenn Sie setzen die Bakterien, die die nicht verdauten Laktose in Milchprodukten Sahara, in der Umgebung, in der Zucker war der einzige Nahrungsquelle, bald die Zellen haben die Fähigkeit, die Umwandlung von Laktose in Energie. Cairns behauptete, dass dieses Ergebnis zeigt, dass Zellen wurden Mechanismen, die Sie produzieren selektive Mutationen, die Sie gefunden haben, hilfreich.
Die experimentelle Bestätigung dieser Idee erwies sich als unzureichend, aber einige Biologen inspiriert werden den Anhängern der umfassenderen Theorie der adaptiven Mutationen. Sie glauben, dass, selbst wenn die Zellen nicht lenken können, die genaue Mutation in bestimmten Bedingungen, die Sie anpassen können, wodurch die rate der Mutationen und die Förderung genetischen Veränderungen.
Die Arbeit des Teams Хаусли scheint, passt perfekt in diese Theorie. Das Hefe-Mechanismus «keine Wahl stehenden Mechanismus vor, der wie folgt lautet: ich muss dieses gen mutieren, um das Problem zu lösen», sagt Patricia Foster, Biologe an der Universität von Indiana. «Dies zeigt, dass die Evolution beschleunigt werden kann».
Hastings von Baylor Stimme mit Ihr und feiert die Tatsache, dass der Mechanismus Хаусли erklärt, warum weitere Mutationen treten nicht auf das gesamte Genom. «Man muss umschreiben gen, um Sie geschehen».
Die Theorie der adaptiven Mutationen, jedoch малоприемлема für die meisten Biologen, und viele von Ihnen skeptisch, was die ursprünglichen Experimente von Cairns und neu — Хаусли. Sie behaupten, dass, auch wenn eine höhere rate von Mutationen ermöglicht die Anpassung an den Druck der Umwelt, zu beweisen, dass die erhöhte rate von Mutationen ist selbst die Anpassung an den Druck, überzeugend wird es sehr schwierig. «Diese Interpretation ist attraktiv auf einer intuitiven Ebene», sagt John Roth, Genetiker und Mikrobiologe an der University of California in Davis, «aber mir scheint es nicht richtig. Ich glaube nicht, dass diese Beispiele durch Druck Mutationen korrekt. Es können auch andere sein, nicht die offensichtliche Erklärung für dieses Phänomen».
«Ich denke, die Arbeit Хаусли ist schön und geeignet für den Streit über die adaptiven Mutationen», sagt Paul Снеговски, Biologe an der University of Pennsylvania. «Aber es ist nur eine Hypothese». Damit bestätigen Sie mit der Gewissheit, «müssten Sie so, wie es die evolutionäre Biologen» — indem Sie theoretische Modell und bestimmen, ob dieses adaptive мутируемость entwickeln innerhalb einer angemessenen Zeitspanne, und dann auf bestimmte Populationen von Organismen im Labor implementieren dieses Mechanismus.
Trotz der Zweifler, Хаусли und sein Team beharrlich in Ihren Studien und betrachten Sie als notwendig für das Verständnis von Krebs und von anderen biomedizinischen Problemen. «Die Entwicklung von Krebs, die resistent gegen Standardtherapie Chemotherapie, ist alltäglich und ist ein großes Hindernis für die Behandlung dieser Krankheit», sagt Хаусли. Er glaubt, dass die Chemotherapie und mehr Druck auf den Tumor, Tumor anregen können zu einer weiteren Mutation, einschließlich der Produktion von Widerstand gegen Medikamente.
«Wir sind aktiv», sagt Хаусли, «aber noch vor uns».
Nach den Materialien Quanta
Kann ich die Chancen auf eine erfolgreiche Mutation?
Ilja Hel