Независимые мутации открывают новый путь к эволюционному успеху
Мутации ДНК, приводящие к замене одного нуклеотида на другой, не обязательно происходят как одиночные, независимые события у людей и других эукариот. К такому выводу пришла группа биологов из Университета Индианы в Блумингтоне после изучения геномов нескольких организмов.
Учёные утверждают, что если точечные мутации могут происходить парами, тройками и даже группами по девять, становятся возможными значительные эволюционные скачки. Особенно когда проблемы, вызванные одной точечной мутацией, немедленно компенсируются второй или третьей. Работа опубликована в последнем номере Current Biology.
«Подобное явление наблюдалось у бактерий. Идея о том, что это может происходить и у эукариот, существовала давно. Мы первые, кто использовал исчерпывающие геномные исследования, чтобы показать, что это действительно происходит, и происходит в большом масштабе», — говорит руководитель проекта Мэтью Хан.
Хан и двое сотрудников его лаборатории изучили геномы дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), круглого червя (Caenorhabditis elegans), плодовой мушки (Drosophila melanogaster), модельного растения Arabidopsis thaliana и человека. Они обнаружили, что в среднем около 3% новых мутаций являются «мультинуклеотидными мутациями» (MNM). Вероятно, они возникают в результате того, что одна, склонная к ошибкам ДНК-полимераза совершает две или более ошибок при движении вдоль хромосомы.
Исследователи также изучили тройки ДНК «родитель-родитель-потомок» у людей, а также полные геномы китайца из народности Янь (YH01) и Дж. Крейга Вентера. Были обнаружены десятки тысяч вероятных MNM.
MNM определялись по близкому расположению двух или более точечных мутаций. Поскольку мутации редки, статистическая вероятность найти две мутации в пределах 20 или 100 пар оснований друг от друга после нескольких поколений достаточно мала, чтобы предположить, что две соседние мутации с вероятностью, близкой к 100%, вызваны одним мутационным событием.
Три процента новых мутаций могут показаться незначительными, но даже редкие генетические явления могут быть очень мощными, если они влияют на приспособленность организма — меру его способности выживать и размножаться.
«Есть случаи, когда организм мог бы улучшить свою приспособленность, если бы приобрел несколько мутаций, каждая из которых по отдельности снижала бы её. В таких случаях организм не смог бы достичь улучшенного состояния, поскольку менее приспособленные промежуточные состояния были бы отсеяны естественным отбором. Такие случаи называют «долинами приспособленности», — объясняет аспирант Дэниел Шрайдер.
Замена одного нуклеотида в гене может иметь драматические последствия для поведения кодируемого им белка. Например, серповидноклеточная анемия, вызывающая деформацию эритроцитов, вызвана точечной мутацией.
Идея в том, что проблемы, вызванные одной точечной мутацией, могут быть смягчены второй, причём одна мутация компенсирует другую в промежутке между поколениями. Учёные признают, что ожидают, что это будет очень редким событием. Но возможным.
«Самое захватывающее следствие нашей работы в том, что она повышает вероятность того, что организмы могут перепрыгнуть через долины приспособленности и достичь состояния с более высокой приспособленностью, приобретая несколько мутаций одновременно», — говорит Шрайдер.
Хан отмечает, что пока не знает примеров генов, в которых мог произойти такой «прыжок через долину», но он и другие исследователи стремятся это изучить.
«Наша работа предоставляет доказательства возможного нового механизма адаптации. Она также ставит под вопрос, являются ли тысячи якобы независимых мутаций, которые другие наблюдали в важных генах, действительно независимыми. Некоторые из этих генов потребуется переанализировать, потому что признание того, что некоторые из этих мутаций на самом деле являются MNM, может повлиять на многие анализы последовательностей ДНК», — заключает Хан.
Следующим шагом группа Хана попытается выяснить, соответствуют ли найденные ими MNM у людей механизму, который генетики наблюдали у более подверженных ошибкам человеческих ДНК-полимераз.