I 1944, Ph.d. – studerende i genetik ved Columbia University Evelyn Witkin har lavet den fejl. I løbet af hans første eksperiment i et laboratorium i cold spring Harbor i new York, at hun ved et uheld udsættes millioner af e coli dødelig dosis ultraviolet lys. Vende tilbage næste dag for at kontrollere prøverne, opdagede hun, at de er alle døde. Bortset fra én, hvor fire bakterielle celler overlevede og fortsatte sin vækst. På en eller anden måde, disse celler er i stand til at klare med UV-bestråling. For Witkin var en god tilfældighed, at alle cellerne i denne kultur har fået præcis den mutation, der hjalp dem med at overleve — så vellykket, at hun tvivlede på, om det var en tilfældighed.
I løbet af de næste tyve år, Witkin har forsøgt at forstå, hvordan og hvorfor blev disse mutanter. Hendes forskning har ført til den såkaldte SOS-respons-mekanisme af DNA-reparation, som bruges af bakterier, når deres genomer er beskadiget; under restaureringen af dusinvis af gener, der bliver aktiv, og den mutation, der stiger. Disse mutationer er oftest skadeligt end nyttigt, men de giver dig mulighed for at tilpasse sig, for eksempel, at UV-lys eller antibiotika.
Siden da, nogle evolutionære biologer blev pint af spørgsmålet: er karakteren af denne orden? Er splash mutation er kun en sekundær konsekvens fører til genvinding proces er i sig selv fejlbehæftet? Eller, ifølge nogle forskere, at stigningen i antallet af mutationer er en evolutionær tilpasning, der hjælper bakterier til at vokse hurtigere i en stressende miljø?
Den videnskabelige udfordring er ikke kun overbevisende måde vise, at et barsk miljø forårsager ikke-tilfældige mutationer. Og for at finde den arbejder mekanisme, der er forenelige med resten af molekylær biologi, der ville gøre en god mutation mere sandsynligt. Forskellige bølger af undersøgelser af bakterier og mere komplekse organismer, der forsøger at finde svar på disse spørgsmål i årtier.
Den sidste og måske det bedste svar er at forklare nogle typer af mutationer, alligevel kom fra undersøgelser af gær, som rapporteret i juni PLOS Biology. En gruppe af forskere, ledet af Jonathan Housley, en specialist i molekylær biologi og genetik ved Institut for Babraham i Cambridge, har foreslået en mekanisme, som bevirker, at flere mutationer, at genom af gær i de regioner, hvor der kan være den mest adaptive.
“Dette er en helt ny måde, hvorpå miljøet kan påvirke genom og give dig mulighed for at tilpasse, hvis det er nødvendigt. Dette er en af de processer, som vi har set,” sagde Philip Hastings, Professor i molekulær-og humangenetik ved Baylor Medical College of, som ikke havde deltaget i eksperimenter af den gruppe af Housley. Andre forskere har støttet dette arbejde, men med det forbehold, at kontroversielle ideer kræver mere support med fakta.
Øget variation i genomet
“I stedet for at stille et meget bredt spørgsmål som “er det altid tilfældige mutationer?”, Jeg besluttede at bruge en mere mekanistisk tilgang,” siger Housley. Han og hans kolleger gjorde opmærksom på, at en særlig type af mutation kaldes variationer af antallet af kopier. DNA indeholder ofte mange kopier af længere sekvenser af basepar eller endda hele gener. Det præcise antal kan variere fra individ til individ, fordi når celler deler deres DNA at dividere celler fejlagtigt kan indsættes eller slettes kopier af det gen-sekvenser. I mennesker, for eksempel, at 5-10% af genomet vis variation i antallet af kopier fra person til person — og nogle gange er disse variationer er forbundet med kræft, diabetes, autisme og genetiske sygdomme. Housley mistanke om, at i det mindste i nogle tilfælde kan denne variation i antallet af gener, der kan være en reaktion på stress eller fare i miljøet.
I 2015, Housley og hans kolleger har beskrevet den mekanisme, som gær celler synes at få flere variationer i antallet af kopier af gener relateret til ribosomer, de dele af cellen, der syntetiserer proteiner. Men de har ikke bevist, at denne stigning var en målbevidst adaptiv reaktion på en ændring eller en begrænsning i den cellulære miljø. Men de fandt, at den gær lave flere kopier af ribosom gener, når næringsstoffer er rigelige, og behovet for protein kan være højere.
Så Housley besluttet at teste, om disse mekanismer, der direkte påvirker gener, antivirus farlige miljømæssige ændringer. I sit arbejde i 2017 med det hold, han fokuserede på CUP1, et gen, der hjælper gær til at modstå de toksiske effekter af kobber. De fandt, at når gæren er udsat for kobber variationer i antallet af kopier af CUP1 i cellerne vokse. I gennemsnit er de fleste celler mindre kopier af genet, men gær celler, der er erhvervet mere — 10% af den samlede befolkning, og blev resistente over for kobber, tak, som begyndte at blomstre. “Et lille antal celler, der gjorde alt rigtigt, var i sådan en fordel at kunne overgå alle andre.”
Men dette ændrer i sig selv ikke betyde meget: hvis kobber i miljøet har forårsaget mutationer, ændringer af variationen af antallet af kopier, CUP1 kunne være noget mere end en konsekvens af en højere sats af mutation. For at udelukke denne mulighed, forskerne dygtigt bearbejdet CUP1 gen, til at reagere på harmløs, ikke mutagene sukker, galactose, i stedet for kobber. Når den modificerede gærceller blev udsat for galactose, variationen af antallet af kopier er også ændret.
Cellerne synes at være rettet flere variationer til det rigtige sted i genomet, hvor de ville være nyttige. Efter yderligere arbejde, forskerne har peget på de biologiske mekanisme bag dette fænomen. Det var kendt, at når cellerne kopiere deres DNA replikation motoren nogle gange stopper. Typisk, den mekanisme, der kan genstartes og fortsætte med at arbejde på det sted, hvor du slap. Når han ikke kan, cellen vender tilbage til begyndelsen af den replikation, men det sommetider tilfældigt sletter en gen-sekvens, eller foretage yderligere kopier. Dette fører til de sædvanlige variationer i antallet af kopier. Men Housley og hans team kom til den konklusion, at den kombination af faktorer, der fører til det faktum, at disse kopiere fejl er tilbøjelige til at imponere de gener, der aktivt reagerer på stress fra omgivelserne, og derfor sandsynligvis for at vise variation i antallet af kopier.
Det centrale her er, at disse effekter er koncentreret på de gener, der reagerer på miljøet, og at de kan give en naturlig udvælgelse, mere mulighed for at finjustere genekspression niveauer, der er optimal til visse problemer. Resultaterne synes at vise eksperimentelle beviser for, at et komplekst miljø kan stimulere cellerne til at styre disse genetiske ændringer, der bedst forbedre deres form. De kan også minde dig om forældede dodawanie ideer fra den franske naturforsker Jean-Baptiste Lamarck, som troede, at organismer evolyutsioniruet i transmission af erhvervet miljømæssige egenskaber til deres afkom. Housley argumenterer for, at ligheden er kun overfladisk.
“Vi har påvist en mekanisme, der opstod helt i færd med Darwinistiske udvælgelse af tilfældige mutationer, og som stimulerer ikke-tilfældige mutationer til nyttige steder,” siger Housley. “Det er ikke lomakovsky tilpasning. Det hele fører til et og det samme, men uden de problemer der er forbundet med lomakovsky tilpasning”.
Adaptive mutation og tvister
Siden 1943, hvor den mikrobiolog Salvador Luria og biofysiker Antal Delbrück viste forsøget, der fik Nobelprisen videnskabsmand, som mutationer af Escherichia coli, der opstod ved en tilfældighed, observationer af SOS-reaktion i bakterier har gradvist ført forskerne til at spekulere på, om den i denne artikel til at blive en vigtig oase. For eksempel, i en kontroversiel arbejde, offentliggjort i Nature i 1988, John Cairns på Harvard og hans team har fundet, at når de er placeret bakterier er ikke fordøje laktose i mælk, sukker, i et miljø, hvor sukker var den eneste fødekilde, snart de celler, der er erhvervet evnen til at omdanne laktose til energi. Cairns hævdede, at dette resultat viser, at cellerne var de mekanismer, der giver dem mulighed for at foretage selektiv mutationer, som de har fundet nyttige.
Eksperimentel bekræftelse af denne idé var utilstrækkelig, men nogle biologer blev inspireret til at være fortalere for en bredere teori om adaptive mutation. De mener, at selv hvis celler ikke kan sende den nøjagtige mutation i visse betingelser, de kan tilpasse sig, øge antallet af mutationer og bidrage til, at genetiske ændringer.
Arbejdet i teamet af Housley, synes det, som passer perfekt ind i denne teori. Gær har en mekanisme for “ingen valg, der står i front af den mekanisme, der lyder som følger: jeg skal mutere dette gen, for at løse problemet,” sagde Patricia foster, en biolog fra Indiana University. “Dette viser, at udviklingen kan fremskyndes”.
Hastings fra Baylor er enig med hende og konstaterer, at den omstændighed, at den mekanisme Housley forklarer, hvorfor yderligere mutationer ikke forekomme hele genomet. “Vi er nødt til at omskrive det gen, som får det til at ske”.
Teorien om adaptive mutation, er imidlertid mindre acceptabel for de fleste biologer, og mange af dem er skeptiske over for den oprindelige eksperimenter ved Cairns og nye — Housley. De hævder, at selv om en højere sats af mutationer, der giver mulighed for at tilpasse sig til det omgivende tryk, for at bevise, at den forhøjede sats af mutationer i sig selv var en tilpasning til det pres, overbevisende, vil det være meget vanskeligt. “Denne fortolkning er tiltalende på et intuitivt niveau,” siger John Roth, genetiker og mikrobiolog ved University of California i Davis, “men for mig betyder det ikke synes ret. Jeg tror ikke, at disse eksempler er forårsaget af pres af mutationer korrekte. Der kan være andre, ikke den mest oplagte forklaring på fænomenet.”
“Jeg tror, at det arbejde, Housley er smukke og passer til en tvist om adaptive mutation,” siger Paul Sniegowski, biolog ved University of Pennsylvania. “Men det er kun en hypotese.” Til at bekræfte det med sikkerhed, “jeg bliver nødt til at tjekke det, hvordan gør evolutionære biologer” — at skabe en teoretisk model, og det bestemmes, hvorvidt det adaptive metroeast til at udvikle sig i en rimelig periode, og derefter bestemte populationer af organismer i laboratoriet for at gennemføre denne mekanisme.
På trods af tvivlerne, Housley og hans team er vedholdende i deres undersøgelser, og anser dem for nødvendige for forståelsen af kræft og andre biomedicinske problemer. “Udvikling af kræft, modstandsdygtig over for kemoterapi, er et almindeligt fænomen og er en alvorlig hindring for de behandling af denne sygdom,” siger Housley. Han mener, at kemoterapi og andre pres på tumor kan fremme tumor yderligere mutation, herunder udvikling af resistens over for lægemidler.
“Vi arbejder aktivt for,” siger Housley, “men stadig forude”.
Ifølge materialer Quanta
Er det muligt at øge chancerne for en vellykket mutation?
Ilya Hel