1944, Doktorand i genetik vid Columbia University Evelyn Witkin har gjort enstaka misstag. Under hans första experiment i ett laboratorium i cold spring Harbor, new York, att hon av misstag utsätts miljontals e coli dödliga dosen av uv-ljus. Återvände nästa dag för att kontrollera prover, upptäckte hon att de är alla döda. Utom en, i vilken fyra bakteriella cellerna överlevde och fortsatte sin tillväxt. På något sätt, dessa celler kan för att klara UV-bestrålning. För Witkin var en bra tillfällighet att alla cellerna i denna kultur har fått exakt den mutation som hjälpte dem att överleva — så framgångsrikt att hon tvivlade på att det var en slump alls.
Under de kommande tjugo åren, Witkin har försökt att förstå hur och varför var dessa mutanter. Hennes forskning har lett till att den så kallade SOS-respons mekanism för DNA-reparation, som används av bakterier, när deras arvsmassa är skadad; under restaureringen av massor av gener blir aktiv, och mutationen räntehöjningar. Dessa mutationer är oftast skadliga än nyttiga, men de tillåter dig att anpassa sig, till exempel UV-ljus eller antibiotika.
Sedan dess har vissa evolutionära biologer var plågade av frågan: har karaktären av denna ordning? Splash mutation är en sekundär följd av återhämtningen är till sin natur behäftade med felaktigheter? Eller, enligt vissa forskare, höjningen av mutationer är en evolutionär anpassning som hjälper bakterierna att växa snabbare i en stressig miljö?
Den vetenskapliga utmaningen är inte bara att övertygande visa att en hård miljö orsakar icke-slumpmässiga mutationer. Och att hitta fungerande mekanism, kompatibelt med resten av molekylär biologi som skulle göra en bra mutation mer sannolikt. Olika vågor av undersökningar av bakterier och mer komplexa organismer att försöka hitta svar på dessa frågor i årtionden.
Den sista och kanske det bästa svaret är att förklara vissa typer av mutationer, hur som helst — kom från studier av jäst, som redovisas i juni PLOS Biology. En grupp forskare under ledning av Jonathan Housley, specialist i molekylär biologi och genetik vid Institutet för Babraham i Cambridge, föreslagit en mekanism, som orsakar mer mutationer för att genomet hos jästen i de regioner som kan vara den mest adaptiva.
“Detta är en helt ny väg, där miljön kan påverka arvsmassan och gör att du kan anpassa vid behov. Detta är en av de processer som vi har sett”, sade Philip Hastings, Professor i molekylär-och humangenetik vid Medical College of Baylor, som inte hade deltagit i experiment gruppen Housley. Andra forskare har stött detta arbete, men med förbehållet att kontroversiella idéer kräver mer stöd med fakta.
En större variation i arvsmassan
“Snarare än att be en mycket omfattande fråga som “är det alltid slumpmässiga mutationer?”, Jag bestämde mig för att använda ett mer mekanistiska synsätt, säger Housley. Han och hans kollegor uppmärksammade att en speciell typ av mutation som kallas varianter av antalet kopior. DNA innehåller ofta många kopior av utökad sekvenser av baspar eller till och med hela gener. Det exakta antalet kan variera från individ till individ, eftersom när cellerna delar deras DNA att dela upp celler av misstag kan läggas till eller tas bort kopior av gensekvenser. Hos människa, till exempel, 5-10% av genomet som visar variationen i antalet kopior från person till person — och ibland kan dessa variationer är associerade med cancer, diabetes, autism och genetiska sjukdomar. Housley misstänker att åtminstone i vissa fall, denna variation i antalet gener kan vara en reaktion på stress eller fara i miljön.
I och med 2015, Housley och hans kollegor beskrev den mekanism genom vilken jästceller verka för att få fler variationer i antalet kopior av gener som är relaterade till ribosomer, de delar av cellen syntetiserar proteiner. De har dock inte visat att denna ökning var en målmedveten adaptiva responsen till en förändring eller inskränkning i den cellulära miljön. Dock fann de att jästen göra fler kopior av den ribosomala gener när näringsämnen som finns i överflöd, och behovet av protein kan vara högre.
Så Housley bestämde mig för att testa om dessa mekanismer som direkt påverkar gener, antivirus farliga förändringar i miljön. I sitt arbete i och med 2017 med laget, han fokuserade på CUP1, en gen som hjälper jäst för att motstå de toxiska effekterna av koppar. De fann att när de jäst är utsatta för koppar variationer i antalet kopior av CUP1 i cellerna växa. I genomsnitt flesta celler mindre kopior av genen, men jästceller förvärvat mer — ca 10% av den totala befolkningen — och blev resistenta mot koppar, tack vare som började blomstra. “Ett litet antal celler som gjorde allt rätt, var i en sådan fördel som skulle överträffa alla andra.”
Men denna förändring i sig inte betyda mycket: om koppar i miljön har orsakats mutationer, förändringar av variationen i antalet kopior, CUP1 kan vara något mer än en följd av en högre frekvens av mutation. För att utesluta denna möjlighet, forskare skickligt omarbetad CUP1 gen, att reagera på ofarliga, icke mutagent socker, galaktos, i stället för koppar. När den modifierade jästceller som var utsatta och galaktos, variationen i antalet kopior har också förändrats.
Cellerna tycks vara inriktad fler varianter till rätt ställe i genomet, där de skulle vara bra. Efter ytterligare arbete har forskarna identifierat den biologiska mekanismen bakom detta fenomen. Det var känt att när cellerna kopiera deras DNA replication engine ibland slutar. Typiskt, den mekanism kan startas om och fortsätta att arbeta på den plats där du slutade. När han inte kan, cell återvänder till början av replikering, men ibland slumpmässigt tar bort en gensekvens eller göra ytterligare kopior. Detta leder till att den vanliga variationer i antalet kopior. Men Housley och hans team kom till slutsatsen att en kombination av faktorer som leder till att kopiera dessa fel är sannolikt att imponera på de gener som aktivt förhålla sig till stress från omgivningen, och därför sannolikt att visa variationen i antalet kopior.
Det viktiga här är att dessa effekter är koncentrerad på de gener som svarar för miljön, och att de kan ge ett naturligt urval, mer möjlighet att finjustera genuttryck som är optimala för vissa problem. Resultaten verkar visa experimentella bevis för att en komplex miljö kan stimulera cellerna att kontrollera dessa genetiska förändringar som på bästa sätt förbättra sin form. De kan också påminna om den föråldrade dodawanie idéer fransk naturforskare Jean-Baptiste Lamarck, som trodde att organismer evolyutsioniruet i överföring av förvärvade miljömässiga egenskaper till sin avkomma. Housley menar att likheten är bara ytlig.
“Vi har identifierat en mekanism som uppstod helt i processen av Darwinistisk urval av slumpmässiga mutationer och som stimulerar till en icke-slumpmässiga mutationer i användbara platser, säger Housley. “Det är inte lomakovsky anpassning. Det leder bara till en och samma sak, men utan de problem som är förknippade med lomakovsky anpassning”.
Adaptiva mutationer och tvister
Sedan 1943, när mikrobiolog Salvador Luria och biofysiker Max Delbrück visade experimentet som fick Nobelpriset vetenskapsman, i vilka mutationer av Escherichia coli uppstod av en slump, observationer av SOS svar i bakterier har successivt lett forskarna att undra om inte i denna artikel att bli en viktig tillflyktsort. Till exempel, i ett kontroversiellt verk, som publicerades i Nature i 1988, John Cairns vid Harvard och hans team fann att när de släpps ut bakterierna är inte smälta laktos i mjölk socker, i en miljö där socker var den enda näringskälla, snart cellerna förvärvat förmågan att konvertera laktos till energi. Cairns hävdade att detta resultat visar att cellerna var de mekanismer som hjälper dem att göra selektiva mutationer som de har funnit användbara.
Experimentell bekräftelse av denna idé var otillräcklig, men vissa biologer har inspirerats till att bli förespråkare för en bredare teori för adaptiv mutation. De tror att även om cellerna inte kan skicka den exakta mutationen under vissa förutsättningar, de kan anpassa sig, att öka graden av mutationer och bidra till genetiska förändringar.
Arbetet i teamet av Housley, det verkar, passar perfekt in i denna teori. Jäst har en mekanism för “inget val, det står framför den mekanism, som lyder som följer: bör jag mutera genen, för att lösa problemet,” sade Patricia foster, en biolog från Indiana University. “Detta visar att utvecklingen kan gå snabbare”.
Hastings från Baylor håller med henne, och konstaterar att det faktum att den mekanism som Housley förklarar varför ytterligare mutationer uppstår hela genomet. “Vi måste skriva genen, få det att hända”.
Den teori för adaptiv mutation, dock är mindre acceptabelt för de flesta biologer, och många av dem är skeptiska till den ursprungliga experiment med Cairns och ny — Housley. De hävdar att även om en högre frekvens av mutationer som gör det möjligt att anpassa sig till det omgivande trycket, för att bevisa att ökad frekvens av mutationer i sig själv var en anpassning till trycket, övertygande kommer att bli mycket svårt. “Denna tolkning är tilltalande på en intuitiv nivå, säger John Roth, genetiker och mikrobiolog vid University of California i Davis, “men för mig är det inte verkar rätt. Jag tror inte att dessa exempel orsakas av trycket av mutationer korrekt. Det kan vara andra, inte den mest uppenbara förklaring av fenomenet.”
“Jag tror att det arbete som Housley är vackra och passar till en tvist om adaptiv mutation, säger Paul Sniegowski, en biolog vid University of Pennsylvania. “Men det är bara en hypotes.” För att bekräfta det med säkerhet, “jag måste kolla upp det hur evolutionsbiologer” — att skapa en teoretisk modell och bestäms om detta adaptiv metroeast att utvecklas inom en rimlig tidsperiod, och sedan vissa populationer av organismer i laboratoriet för att genomföra denna mekanism.
Trots tvivlarna, Housley och hans team är långlivade i sina studier och anser dem nödvändiga för förståelsen av cancer och andra biomedicinska problem. “Utvecklingen av cancer, som är resistenta mot kemoterapi, är ett vanligt fenomen och är ett allvarligt hinder för behandling av denna sjukdom, säger Housley. Han anser att kemoterapi och andra påtryckningar på tumören kan främja tumör ytterligare mutation, inklusive utveckling av resistens mot läkemedel.
“Vi arbetar aktivt för, säger Housley, “men fortfarande framåt”.
Enligt material Kvanta
Är det möjligt att öka chanserna för en lyckad mutation?
Ilya Hel