1944. aastal tegi Columbia ülikooli geneetiku kraadiõppur Evelyn Witkin juhusliku vea. New Yorgis Cold Spring Harbori laboris tehtud esimese katse ajal kiiritas ta juhuslikult miljoneid E. coli ultraviolettvalguse doosiga. Naastes järgmisel päeval proove kontrollima, leidis naine, et nad olid kõik surnud. Välja arvatud üks, milles neli bakterirakku jäid ellu ja jätkasid kasvu. Kuidagi said need rakud ultraviolettkiirgusega hakkama. Witkini jaoks oli õnnelik kokkusattumus, et kõik selle kultuuri rakud omandasid täpselt mutatsiooni, mis aitas neil ellu jääda - nii õnnelik, et ta kahtles, kas see on üldse juhus.
Järgmise kahekümne aasta jooksul püüdis Witkin mõista, kuidas ja miks need mutandid ilmusid. Tema uuringud viisid niinimetatud SOS-vastuseni, mis on DNA parandamise mehhanism, mida bakterid kasutavad, kui nende genoomid on kahjustatud; selle remondi käigus aktiveerub kümneid geene ja mutatsioonikiirus suureneb. Need mutatsioonid on sagedamini kahjulikud kui kasulikud, kuid need võimaldavad teil kohaneda näiteks ultraviolettvalguse või antibiootikumidega.
Pärast seda on mõnda evolutsioonibioloogi piinanud küsimus: kas loodus säilitab seda korda? Kas mutatsioonide teravik on olemuselt vigadele kalduva taastumisprotsessi sekundaarne tagajärg? Või nagu mõned teadlased on väitnud, on suurenenud mutatsioonimäär evolutsiooniline kohanemine, mis aitab bakteritel stressiolukorras kiiremini kasvada?
Teaduslik väljakutse pole ainult veenvalt tõestada, et karmid keskkonnad põhjustavad juhuslikke mutatsioone. Ja ka selleks, et leida toimiv mehhanism, mis ühilduks ülejäänud molekulaarbioloogiaga ja mis muudaks edukate mutatsioonide tõenäolisemaks. Erinevad bakterite ja keerukamate organismide uurimise lained on aastakümnete vältel püüdnud neile küsimustele vastuseid leida.
Viimane ja võib-olla parim vastus - igatahes teatud tüüpi mutatsioonide selgitamine - pärines pärmiuuringutest, nagu juunis PLOS Biology teatas. Teadlaste rühm Cambridge'i Babrahami instituudi molekulaarbioloogia ja geneetika spetsialisti Jonathan Housley juhtimisel on välja pakkunud mehhanismi, mis põhjustab pärmi genoomis rohkem mutatsioone piirkondades, kus see võib kõige paremini kohaneda.
„See on täiesti uus viis, kuidas keskkond saab mõjutada genoomi ja võimaldada tal vajaduse korral kohaneda. See on üks suunatuimaid protsesse, mida me näinud oleme,”ütleb Baylori meditsiinikolledži molekulaar- ja inimgeneetika professor Philip Hastings, kes Houseley grupi katsetega ei tegelenud. Teised teadlased on seda tööd toetanud, kuid hoiatusega, et vaieldavad ideed vajavad rohkem faktilist tuge.
Suurenev mitmekesisus genoomis
Reklaamvideo:
“Selle asemel, et esitada väga laiahaardelist küsimust, nagu näiteks“kas mutatsioonid on alati juhuslikud?”, Otsustasin kasutada mehhaanilisemat lähenemisviisi,” ütleb Housley. Tema ja ta kolleegid märkasid erilist mutatsiooni, mida nimetatakse koopiaarvu variatsiooniks. DNA sisaldab sageli palju koopiaid laiendatud aluspaarijärjestustest või isegi terveid geene. Täpne arv võib inimestel varieeruda, sest kui rakud jagavad oma DNA enne rakkude jagunemist, saab geenijärjestuste koopiad ekslikult sisestada või kustutada. Näiteks inimestel näitab 5–10% genoomist koopiate arvu erinevusi inimestel - ja mõnikord on need variatsioonid olnud seotud vähi, diabeedi, autismi ja hulga geneetiliste häiretega. Houseley kahtlustabet vähemalt mõnel juhul võib see geenide arvu erinevus olla vastus stressile või keskkonnaohtudele.
Aastal 2015 kirjeldasid Housley ja tema kolleegid mehhanismi, mille abil pärmirakud omandavad ribosoomidega seotud geenide - raku osade, mis sünteesivad valke - täiendavad koopiaarvu variatsioonid. Kuid nad ei tõestanud, et see suurenemine oli suunatud kohanemisvastus rakukeskkonna muutustele või piirangutele. Neile aga tundus, et pärm teeb ribosoomi geenidest rohkem koopiaid, kui toitaineid on küllaga ja valkude vajadus võib olla suurem.
Seetõttu otsustas Housley katsetada, kas sellised mehhanismid mõjutavad otseselt keskkonna geenimuutustega aktiveeritud geene. 2017. aastal oma meeskonnaga töös keskendus ta CUP1-le, geenile, mis aitab pärmil vastu seista vase toksilistele mõjudele. Nad leidsid, et pärmi kokkupuutel vasega suurenes CUP1 koopiaarvu erinevus rakkudes. Keskmiselt on enamikul rakkudel selle geeni vähem eksemplare, kuid pärmirakud omandasid rohkem - umbes 10% elanikkonnast - ja muutusid vase suhtes resistentseks, õitsedes seega. "Väike lahtrite arv, mis seda õigesti tegi, päädis sellise eelisega, et nad suutsid kõiki teisi edestada."
Kuid see muutus iseenesest ei tähendanud palju: kui keskkonnas tekkiv vask põhjustas mutatsioone, siis CUP1 koopiaarvu variatsiooni muutus võib olla midagi muud kui kõrgema mutatsioonimäära tagajärg. Selle võimaluse välistamiseks töötasid teadlased nutikalt ümber CUP1 geeni, et reageerida vaske asemel kahjutule, mitte mutageensele suhkrule - galaktoosile. Kui muudetud pärmirakud eksponeeriti galaktoosile, muutus ka koopiate arvu erinevus.
Näib, et rakud suunavad rohkem variatsioone genoomi õigesse kohta, kus see oleks kasulik. Lisatöö abil tuvastasid teadlased selle nähtuse taga oleva bioloogilise mehhanismi elemendid. On teada, et kui rakud replitseerivad oma DNA-d, peatub replikatsioonimehhanism mõnikord. Tavaliselt saab mehhanismi taaskäivitada ja jätkata tööd seal, kus see pooleli jäi. Kui ta seda ei saa, naaseb rakk replikatsiooni algusesse, kuid samal ajal kustutab mõnikord kogemata geenide jada või teeb sellest täiendavad koopiad. Selle tulemuseks on koopiate arvu tavaline varieeruvus. Kuid Housley ja tema meeskond järeldasid, et tegurite kombinatsioon muudab need kopeerimisvead tõenäoliselt geenide sihtmärgiks, mis reageerivad aktiivselt keskkonnastressile.ja seetõttu näitavad tõenäoliselt koopiate arvu varieerumist.
Peamine on see, et need mõjud on keskendunud keskkonnale reageerivatele geenidele ja et need võivad loodusliku valiku abil anda täiendavaid võimalusi konkreetsete probleemide korral optimaalse geeniekspressiooni taseme häälestamiseks. Tulemused näivad olevat eksperimentaalsed tõendid selle kohta, et väljakutsuv keskkond võib stimuleerida rakke kontrollima neid geneetilisi muutusi, mis nende kuju maksimeerivad. Need võivad sarnaneda ka prantsuse loodusteadlase Jean-Baptiste Lamarcki vananenud Darwini-eelsete ideedega, kes uskusid, et organismid arenevad, kui nad annavad oma järglastele keskkonnaomadused. Howsley väidab, et sarnasus on vaid pealiskaudne.
"Tuvastasime mehhanismi, mis tulenes täielikult juhuslike mutatsioonide darvinistlikust valimisest ja mis stimuleerib mittejuhuslikke mutatsioone kasulikes kohtades," ütleb Housley. „See pole Lamarcki kohanemine. Kõik see viib lihtsalt sama asjani, kuid ilma Lamarcki kohanemisega seotud probleemideta."
Adaptiivne mutatsioon ja eosed
Alates 1943. aastast, mil mikrobioloog Salvador Luria ja biofüüsik Max Delbrück näitasid Nobeli preemiaga võidetud eksperimenti, kus E. coli mutatsioonid toimusid juhuslikult, on bakterite SOS-vastuse vaatlus järk-järgult pannud bioloogid mõtlema, kas selles reeglis võiks olla olulisi kõrvalekaldeid. Näiteks leidsid 1988. aastal ajakirjas Nature avaldatud vastuolulises dokumendis Harvardi John Cairns ja tema meeskond, et kui nad asetasid piimasuhkrus laktoosi mitte seedivad bakterid keskkonda, kus suhkur oli ainus toiduallikas, omandasid rakud peagi võime muuta laktoos energiaks. Cairns väitis, et see tulemus näitas, et rakkudel olid mehhanismid, mis võimaldasid neil teha selektiivseid mutatsioone, mis olid neile kasulikud.
Selle idee katseline kinnitamine ei ole olnud piisav, kuid mõned bioloogid on saanud inspiratsiooni adaptiivse mutatsiooni laiema teooria toetajaks. Nad usuvad, et isegi kui rakud ei suuda teatud tingimustel täpset mutatsiooni suunata, suudavad nad kohaneda, suurendades mutatsiooni kiirust ja edendades geneetilisi muutusi.
Tundub, et Houseley meeskonna töö sobib selle teooriaga ideaalselt. Pärmmehhanismil „pole valikut selle mehhanismi ees, mis ütleb, et probleemi lahendamiseks pean selle geeni muteerima,“ütleb Indiana ülikooli bioloog Patricia Foster. "See näitab, et evolutsiooni saab kiirendada."
Baylori Hastings nõustub temaga ja märgib, et Housley mehhanism selgitab, miks täiendavaid mutatsioone kogu genoomis ei esine. "Selle juhtumiseks peate geeni ümber kirjutama."
Adaptiivne mutatsiooniteooria on aga enamiku bioloogide jaoks vaevalt vastuvõetav ja paljud neist suhtuvad skeptiliselt Cairnsi ja uute - Housley - algsetesse katsetesse. Nad väidavad, et isegi kui suurem mutatsioonimäär võimaldab kohaneda keskkonnasurvega, on väga raske lõplikult tõestada, et suurenenud mutatsioonimäär on iseenesest survega kohanemine. "See tõlgendus on intuitiivselt atraktiivne," ütleb Davise California ülikooli geneetik ja mikrobioloog John Roth, "kuid see ei tundu mulle õige. Ma ei usu, et need rõhust põhjustatud mutatsioonide näited on õiged. Selle nähtuse jaoks võib olla muid, mitte kõige ilmsemaid seletusi."
"Ma arvan, et Housley töö on suurepärane ja sobib adaptiivse mutatsiooni arutelusse," ütleb Pennsylvania ülikooli bioloog Paul Snegovski. "Kuid ta esindab ainult hüpoteesi." Selle kinnituseks enesekindlalt tuleb öelda, et „peame seda katsetama nii, nagu evolutsioonibioloogid seda teevad“- luues teoreetilise mudeli ja määrates kindlaks, kas see adaptiivne muutlikkus saab areneda mõistliku aja jooksul, ning rakendage see mehhanism seejärel laboris olevate organismide teatud populatsioonide suhtes.
Hoolimata kahtlejatest, on Houseley ja tema meeskond oma uurimistöös püsivad ja peavad seda vähktõve ning muude biomeditsiiniliste probleemide mõistmiseks hädavajalikuks. "Keemiaravi suhtes resistentsete vähkide areng on tavaline ja peamine takistus haiguse ravimisel," ütleb Housley. Ta usub, et keemiaravi ja muud kasvajale avalduvad surved võivad julgustada kasvajat veelgi muteeruma, sealhulgas arendama ravimresistentsust.
"Me töötame aktiivselt," ütleb Houseley, "kuid on veel ees."
Põhineb Quanta materjalidel
Ilja Khel
