Мутации не случайны ?

Автор mydoctor, января 18, 2022, 05:08:01

« назад - далее »

mydoctor

Уважаемые коллеги, предлагаю обсудить нижеизложенную статью.
Исследование бросает вызов эволюционной теории о том, что мутации ДНК случайны

Согласно новому исследованию Калифорнийского университета в Дэвисе и Института биологии развития им. Макса Планка в Германии, простой придорожный сорняк может дать ключ к пониманию и прогнозированию мутации ДНК.
Выводы, опубликованные 12 января в журнале Nature , радикально меняют наше понимание эволюции и однажды могут помочь исследователям улучшить урожай или даже помочь людям бороться с раком.
Мутации происходят, когда ДНК повреждена и не восстановлена, создавая новую вариацию. Ученые хотели знать, была ли мутация чисто случайной или что-то более глубокое. То, что они обнаружили, было неожиданным.
«Мы всегда считали мутацию случайной в геноме», — сказал Грей Монро, доцент кафедры растениеводства Калифорнийского университета в Дэвисе, ведущий автор статьи. «Оказывается, мутация очень неслучайна, и она не случайна в том смысле, что приносит пользу растению. Это совершенно новый взгляд на мутацию».
Исследователи потратили три года на секвенирование ДНК сотен растений Arabidopsis thaliana , небольшого цветущего сорняка, считающегося «лабораторной крысой среди растений» из-за его относительно небольшого генома, включающего около 120 миллионов пар оснований. Для сравнения, у людей примерно 3 миллиарда пар оснований.
«Это модельный организм для генетики», — сказал Монро.
Выращенные в лаборатории растения дают множество вариаций
Работа началась в Институте Макса Планка, где исследователи выращивали образцы в защищенной лабораторной среде, что позволяло растениям с дефектами, которые, возможно, не сохранились в природе, выживать в контролируемом пространстве.

Секвенирование этих сотен растений Arabidopsis thaliana выявило более 1 миллиона мутаций. Внутри этих мутаций была обнаружена неслучайная закономерность, противоречащая ожидаемому.
«На первый взгляд то, что мы обнаружили, казалось, противоречило устоявшейся теории о том, что первоначальные мутации полностью случайны и что только естественный отбор определяет, какие мутации наблюдаются в организмах», — сказал Детлеф Вайгель, научный директор Института Макса Планка и старший автор исследования.
Вместо случайности они обнаружили участки генома с низким уровнем мутаций. В этих участках они были удивлены, обнаружив чрезмерное количество основных генов, таких как те, которые участвуют в росте клеток и экспрессии генов .
«Это действительно важные области генома», — сказал Монро. «Области, которые являются наиболее биологически важными, защищены от мутаций».
Районы также чувствительны к вредному воздействию новых мутаций . «Поэтому восстановление повреждений ДНК кажется особенно эффективным в этих регионах», — добавил Вайгель.
Растение эволюционировало, чтобы защитить себя
Ученые обнаружили, что то, как ДНК обернута вокруг различных типов белков, является хорошим показателем того, будет ли мутировать ген или нет. «Это означает, что мы можем предсказать, какие гены мутируют с большей вероятностью, чем другие, и это дает нам хорошее представление о том, что происходит», — сказал Вайгель.
Полученные данные вносят неожиданный поворот в теорию эволюции Чарльза Дарвина путем естественного отбора, поскольку они показывают, что растения эволюционировали, чтобы защитить свои гены от мутаций, чтобы обеспечить выживание.
«Растение разработало способ защитить свои самые важные места от мутаций», — сказал Вайгель. «Это захватывающе, потому что мы могли бы даже использовать эти открытия, чтобы подумать о том, как защитить человеческие гены от мутаций».

Использование в будущем
Знание того, почему некоторые области генома мутируют больше, чем другие, может помочь селекционерам, которые полагаются на генетическую изменчивость, для получения более качественных культур. Ученые также могут использовать эту информацию для более точного прогнозирования или разработки новых методов лечения таких заболеваний, как рак, вызванных мутациями.
«Наши открытия дают более полное представление о силах, управляющих моделями естественной изменчивости; они должны вдохновить на новые направления теоретических и практических исследований роли мутаций в эволюции», — заключает статья.
Соавторами из Калифорнийского университета в Дэвисе являются Даниэль Клибенштейн, Мариэль Ленсинк, Мари Кляйн из Департамента наук о растениях. В исследовании приняли участие исследователи из Института науки Карнеги, Стэнфордского университета, Государственного университета Вестфилда, Университета Монпелье, Университета Упсалы, Колледжа Чарльстона и Университета штата Южная Дакота.


василий андреевич

Цитата: mydoctor от января 18, 2022, 05:08:01«Растение разработало способ защитить свои самые важные места от мутаций», — сказал Вайгель.
Это не ново. Трещиноватость в горной породе развивается случайным образом, но концентрация трещин будет наблюдаться в областях с пониженным барьером энергии активации. И зачем "растению разрабатывать", проявляя свои инженерные способности)))) , если и тут можно подставить всемогущий и непотопляемый принцип отбора?
  Пусть единичная мутация остается "квантованной" случайностью - важно разобраться в механике-теории-гипотезе, каким образом рождается "комплексный мутант", нарушения в геноме которого принципиально НЕупрощаемы.

АrefievPV

Мутации в целом случайны, но в каких-то местах мутации будут чаще возникать (и/или наблюдаться), а в каких-то – реже.

Я бы вообще разделял случаи «мутационного воздействия» (оно случайно) и случаи возникновения мутации (они могут быть и не случайны). Например, отдельные места могут оказаться «прочнее», и мутации там возникают реже (разумеется, при одной и той же «силе/мощности» «мутационного воздействия»). Понятно, что такие отдельные места могли оказаться «прочнее» в результате ЕО (типа, эти места наиболее важны для выживания и возникновение мутации в них приводит к смерти с очень высокой вероятностью).

Кроме того, на видимую по итогу частоту появления мутации может оказать, так называемая, «ошибка выжившего».

То есть, тут два важных момента:
– зачастую мы видим мутацию, когда она  в потомке (тогда это уже результат ЕО – фатальные мутации мы попросту не увидим);
– «мутационное воздействие» одной и той же «силы/мощности» может спровоцировать возникновение мутаций в разных местах с разной вероятностью (типа, какие-то места оказались «прочнее»).

Но, на мой взгляд, наиболее интересны случаи неслучайного мутагенеза, проявляющиеся в более сложных формах, нежели просто повышения «прочности» в результате ЕО. Например, в процессе ЕО возник некий механизм, который позволяет реагировать на случайные «мутационные воздействия» не случайным образом.

Типа, на быстрое повышение фона «мутационных воздействий» (и/или вообще при быстром возникновении неблагоприятных условий) реагировать повышением генетического разнообразия потомков (кто-нибудь да окажется адаптирован к новым условиям).

Или, ещё круче (недавно новость размещал):
Цитата: АrefievPV от января 14, 2022, 10:03:12
Замена небольшого участка генома на синонимичный заставляет бактерию иначе решать ту же эволюционную задачу
https://elementy.ru/novosti_nauki/433922/Zamena_nebolshogo_uchastka_genoma_na_sinonimichnyy_zastavlyaet_bakteriyu_inache_reshat_tu_zhe_evolyutsionnuyu_zadachu
ЦитироватьБиологическая эволюция базируется на двух основных процессах: мутационной изменчивости и естественном отборе. Мутационная изменчивость выступает в роли поставщика эволюционного материала, производя случайным образом разные мутации, из которых отбор сохраняет лишь полезные. Таким образом, согласно общепринятому представлению, именно отбор выполняет направляющую роль в эволюции и именно от него зависит, какими окажутся генотипы потомков, после того как в ряду поколений организмы адаптировались к какому-то новому неблагоприятному фактору среды.

Однако ученые из Великобритании, работая с двумя близкими, но немного разными штаммами бактерии Pseudomonas fluorescens с искусственно поломанной системой формирования жгутиков, показали, что сам процесс мутагенеза может иметь весьма закономерный характер и оказывается порой не менее значимым в предопределении конечного генофонда эволюционирующей и адаптирующейся популяции, чем фактор отбора. Спектры новообретенных мутаций, позволивших бактериям заново получить рабочий жгутик, оказались для разных штаммов разными, но хорошо воспроизводились в повторных экспериментах. А перестановка небольшого фрагмента ДНК между штаммами заставляла их переключаться с одного эволюционного пути на другой.
ЦитироватьВ английском языке для описания способности организма быстрее или медленнее формировать новые адаптации используют специальный термин evolvability. В русском языке для этого понятия, к сожалению, пока нет удобного эквивалента. Изучение факторов, благодаря которым у разных видов живых существ разная evolvability, — одно из горячих направлений в современной эволюционной биологии, в котором пока много открытых очень интересных вопросов. В частности, было бы здорово понять, могут ли эволюция и необходимость адаптации к часто меняющимся факторам среды содействовать формированию таких структурных особенностей молекул ДНК, которые повышают эту самую способность быстро производить новые адаптации (evolution of evolvability).

АrefievPV

Цитата: АrefievPV от января 18, 2022, 07:48:35
Но, на мой взгляд, наиболее интересны случаи неслучайного мутагенеза, проявляющиеся в более сложных формах, нежели просто повышения «прочности» в результате ЕО. Например, в процессе ЕО возник некий механизм, который позволяет реагировать на случайные «мутационные воздействия» не случайным образом.

Типа, на быстрое повышение фона «мутационных воздействий» (и/или вообще при быстром возникновении неблагоприятных условий) реагировать повышением генетического разнообразия потомков (кто-нибудь да окажется адаптирован к новым условиям).
Добавлю. В процессе эволюции возникли разнообразные механизмы стресс-индуцированных реакций. В свою очередь, некоторые из них в дальнейшем способствовали прогрессивной эволюции.

Вот ещё несколько ссылок на любопытный материал:

Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам
https://elementy.ru/novosti_nauki/431120

Стресс помогает справиться с вредными мутациями
https://elementy.ru/novosti_nauki/431737/Stress_pomogaet_spravitsya_s_vrednymi_mutatsiyami

«Эгоистичные» элементы генома млекопитающих участвуют в реакции клеток на стресс
https://elementy.ru/novosti_nauki/433593/Egoistichnye_elementy_genoma_mlekopitayushchikh_uchastvuyut_v_reaktsii_kletok_na_stress

василий андреевич

  Заявление о неслучайной мутации равносильно прогнозу "закона закономерного мутагенеза". То есть, закона о канализации множества фенотипических признаков к нескольким ключевым формам. Классический пример - жираф, длинная шея которого не могла состояться без мутаций, приведших к перестройкам в работе длинного перечня органов. У природы попросту не хватило бы времени, перестраивать весь организм "мелкими шажками" мутаций то в одном, то в другом месте генома.
  Эпигенетика предполагает обратную связь от генетической "ошибки" в фенотипе к тому гену в половой клетке, нарушения в котором будут "файли лайкли" компенсировать адаптационные негативы. По сути, эпиген - это Ламарковский тренируемый геном. Потому, на мой взгляд, при подходе к проблеме комплексной перестройки в композите генов лучше вообще исключить суждения в русле эпигена.

  Первый шаг. Нарушения в геноме - это естественность. Частота нарушений обратно пропорциональна энергии активации данной связи. Принцип сохранности диктует - чем чаще химическая связь рвется, тем активнее должен работать механизм репарации данной связи. Следовательно, появляется "окно договоренностей" между высокочастотными нарушениями через гипотетический механизм репарирования комплекса нарушений. В итоге SOS-репарация повышает вероятность состояться, как композиционная.