Naujas tyrimas pateikė pirmuosius neatsitiktinių DNR mutacijų įrodymus

Naujas tyrimas rodo, kad organizmų DNR atsirandančios mutacijos gali būti ne visai atsitiktinės. Tai kertasi su viena iš svarbiausių evoliucijos teorijos prielaidų.

Įprasto pakelės augalo baltažiedžio vairenio (lot. 𝐴𝑟𝑎𝑏𝑖𝑑𝑜𝑝𝑠𝑖𝑠 𝑡𝘩𝑎𝑙𝑖𝑎𝑛𝑎) genetines mutacijas tiriantys mokslininkai išsiaiškino, kad šis augalas gali „uždengti“ svarbiausius savo DNR genus nuo pokyčių, o kitas ge nomo atkarpas palikti keistis labiau.

„Mane labai nustebino mūsų atrastos neatsitiktinės mutacijos,“ Live Science sakė tyrimo vyr. autorius Grey Monroe, botanika siš Kalifornijos universiteto Davise. „Nuo pat vidurinės mokyklos biologijos pamokų buvo teigiama, kad mutacijos yra atsitiktinės.“

Atsitiktinės mutacijos yra svarbi evoliucijos per natūralią atranką teorijos dalis, nes joje mutacijos sukelia palikuoniams perduodamus ir prisitaikymą keičiančius pokyčius, keičiančius jų galimybę išlikti. Mokslininkai manė, kad šios mutacijos yra atsitiktinės ir pirmasis evoliucijos dėl natūralios atrankos žingsnis – taip pat atsitiktinis. Bet naujas tyrimas rodo, kad tai gali būti ne visai tiesa.

„Atsitiktinių mutacijų idėja biologijoje gyvuoja jau daugiau nei šimtą metų ir tai girdima taip dažnai, kad studentams nesunku priimti tai kaip garantuotą faktą,“ sakė Monroe. „Netgi dirbdamas genetiku ir evoliuciniu biologu, šios idėjos niekuomet rimtai nekvestionavau.“

Šis atradimas evoliucijos teorijos nepaneigia ir nediskredituoja, ir tyrėjai teigia, kad atsitiktinumo reikšmė mutacijoms tebėra didelė. Bet šis tyrimas rodo, kad tokie genetiniai pokyčiai yra sudėtingesni, nei mokslininkai manė.

DNR klaidos

Organizmui gyvenant, tikimybė rastis genetinėms mutacijoms ar net klaidoms tikrai didelė.

„DNR molekulė trapi; vienos ląstelės DNR kiekvieną dieną pažeidžiama nuo 1 000 iki milijono kartų,“ pabrėžė Monroe. „Be to, DNR turi būti kopijuojama kiekvieną kartą, kai ląstelė dalijasi, ir taip randasi kopijavimo klaidos klaidos.“

Laimei, žmonių ir visų kitų organizmų ląstelės pasipriešinti didžiajai daliai tokių pažeidimų. „Mūsų ląstelės be perstojo taiso DNR ir jose išsivysčiusios sudėtingos molekulinės mašinos, DNR taisymo baltymai, klaidų ieško ir jas taiso,“ paaiškino Monroe.

Tačiau DNR taisantys baltymai nėra visa sprendimas visiems gyvenimo atvejams ir visų klaidų ištaisyti negali. „Jei pažeidimai ar kopijavimo klaidos neištaisomos, kyla mutacija, DNR sekos pokytis“.

Mutacijos būna dviejų pagrindinių tipų: somatinės mutacijos, kurios palikuoniams negali būti perduodamos, ir genetinės linijos mutacijos, kuomet atžalos DNR klaidą paveldėti gali. Būtent genetinės linijos mutacijos lemia natūralią atranką ir daugiau arba mažiau paplinta populiacijoje, priklausomai nuo tos mutacijos poveikio jos nešiotojų gebėjimui išgyventi.

Ne visos mutacijos gali keisti organizmo galimybes išgyventi. Svarbius organizmo pokyčius mutacijos sukelia tik tada, kai atsiranda genuose — DNR atkarpose, koduojančiose konkretų baltymą. Didžioji dalis žmogaus genomo sudaryta iš baltymų nekoduojančios DNR, pastebi Monroe.

Ne atsitiktinė struktūra

Nauju tyrimu tyrėjai siekė patikrinti mutacijų atsitiktinumą, aiškindamiesi ar mutacijos tokiu pačiu dažniu vyksta baltažiedžio vairenio genuose ir nekoduojančiuose DNR regionuose.

Baltažiedis vairenis yra „puikus modelinis organizmas“ tirti mutacijoms, nes jo genome tėra ~120 milijonų bazių porų (palyginimui, žmogaus genome jų yra 3 milijardai), tad, šio augalo genomą lengviau nuskaityti. Be to, jie labai trumpai gyvena, o tai reiškia, kad per daugelį kartų̃ mutacijos gali greitai kauptis, paaiškino Monroe.

Mokslininkai laboratorijoje augino šimtus augalų ir per tris metus pasikeitė ne viena jų karta. Iš viso tyrėjai nuskaitė 1 700 genomų ir aptiko daugiau nei milijoną mutacijų. Bet jas išanalizavus, paaiškėjo, kad genomo dalyse, kuriose yra genai, mutuoja daug rečiau, nei nekoduojantys genomo regionai.

„Manome, tikėtina, kad kituose organizmuose genetinės mutacijos irgi vyksta ne atsitiktine tvarka,“ sakė Monroe. „Iš tiesų pratęsėme pagrindinį tyrimą ir panagrinėjome šį klausimą su kitomis rūšimis ir gauti rezultatai rodo, kad neatsitiktinės mutacijos nėra unikalus 𝐴𝑟𝑎𝑏𝑖𝑑𝑜𝑝𝑠𝑖𝑠 bruožas.“

Kaip bebūtų, tyrėjai įtaria, kad neatsitiktinumo lygis skirtingose rūšyse gali skirtis.

Esminių genų apsauga

Toks dėsningas mutacijų pasiskirstymas tarp DNR koduojančių ir nekoduojančių regionų gali reikšti, kad veikia apsauginis mechanizmas sauganti nuo potencialiai pražūtingų mutacijų.

„Išlikimui ir reprodukcijai svarbiausius baltymus koduojančiuose genuose įvykusios mutacijos labiausiai tikėtina, bus žalingos, sukeliančios ligas ar net mirtį,“ sakė Monroe. „Mūsų rezultatai rodo, kad genuose, ir ypatingai svarbiausiuose genuose, mutacijų dažnis mažesnis, nei nekoduojančiuose 𝐴𝑟𝑎𝑏𝑖𝑑𝑜𝑝𝑠𝑖𝑠 genomo regionuose. Dėl to sumažėja kenksmingų mutacijų paveldėjimo tikimybė.“

Tyrėjai išsiaiškino, kad saugodami save, esminiai genai siunčia specialius signalus DNR taisantiems baltymams. Signalizuoja ne pati DNR, bet specializuoti baltymai, apie kuriuos, sudarydama chromosomas, apsivynioja DNR – histonai.

„Remdamiesi mūsų tyrimo rezultatais, atradome, kad genų regionai, ypač biologiškai svarbiausių genų, yra apsiviję histonus, turinčius tam tikras chemines žymes. Manome, kad šie cheminiai žymenys veikia kaip molekulinis signalas skatinantis DNR taisymą šiuose regionuose,“ dėsto Monroe.

Unikalių histonų cheminių žymenų idėja nėra nauja. Ankstesni vėžio pacientų mutacijų tyrimai taip pat parodė, kad šie cheminiai žymenys gali lemti, ar DNR taisantys baltymai mutaciją ištaisys tinkamai, pridėjo jis. Tačiau šių cheminių žymenų įtaka viso genomo mutacijų dažniui ir tuo būdu, natūralia atranka pagrįstai evoliucijai, pademonstruota pirmą kartą.

Potencialios implikacijos

Tyrėai tikisi, kad jų atradimai galės patobulinti mediciną.

„Mutacijos žmonių sveikatą veikia daugybe būdų, jos yra vėžio, genetinių ligų ir senėjimo priežastis.Išmokus apsaugoti tam tikrus genomo regionus nuo mutacijų, būtų galima užkirsti kelią šioms problemoms ar jas išgydyti“, sakė Monroe.

Tačiau dar reikės atlikti daugiau gyvūnų genomų tyrimų, kad būtų galima tvirtinti, kad neatsitiktinės mutacijos vyksta ir žmonėse. „Mūsų atradimai atlikti su augalais ir naujų gydymo būdų nesukūrė, bet keičia mūsų fundamentalų supratimą apie mutacijas ir įkvepia daug naujų tyrimo krypčių.“ pastebi Monroe

Be to, tyrėjai mano, kad esminių genų siunčiami cheminiai signalai galėtų padėti patobulinti genų redagavimo technologijas, padedančias kurti maistingesnes ir klimato kaitai atsparesnes kultūras.

Harry Baker
www.livescience.com

Tyrimas publikuotas žurnale Nature.