Это тайна мутации, шутка природы, ошибка

[egovoru]

Наследственная изменчивость – необходимое условие биологической эволюции. В середине 20-го века ее по умолчанию считали константой, а роль переменных отводили направлению и степени давления отбора. Однако быстро выяснилось, что интенсивность мутагенеза зависит от условий среды (и сегодня, когда мы лучше знаем матчасть, это совсем не кажется неожиданностью). Причем задействован тут не единый регуляторный механизм, а множество их – даже у одной и той же кишечной палочки, на которой их в основном и изучают. Ни в коей мере не будучи специалистом в этой области, я обещала уважаемому ablertus'у хотя бы вчерне разобраться по литературе, что же известно на сегодняшний день?

Любимый объект молекулярно-генетических исследований на бактериях – ген β-галактозидазы, фермента, расщепляющего лактозу. Существуют мутации, начисто вырубающие функцию этого белка. В размножающейся популяции мутантных бактерий время от времени появляются ревертанты, несущие возвратные мутации к дикому типу, причем частота этих реверсий низка, если выращивать бактерии в среде без лактозы, но повышается, если дать им только лактозу как единственный источник пищи. Более того, молекулярные механизмы, ответственные за появление ревертантов в этих двух случаях, совершенно различны. Казалось бы, налицо направленное адаптивное влияние среды на гены, не так ли?

Так, да не так. Когда проводились первые эксперименты такого рода, еще не было технических возможностей отслеживать, а что же происходит в других участках генома? Когда же такие возможности появились, выяснилось, что частота мутаций повышается вовсе не только у гена β-галактозидазы, но и у многих других генов, не имеющих никакого отношения к метаболизму лактозы.

Текущая модель стресс-индуцированного мутагенеза предполагает, что его адаптивность заключается просто в том, что общее увеличение числа мутаций повышает и вероятность появления полезных мутаций, помогаюших справляться со стрессом. Оказалось, однако, что далеко не все виды стресса приводят к увеличению числа мутаций: в некоторых случаях число мутаций не меняется, но происходят качественные изменения в самом характере мутаций – скажем, увеличивается число однонуклеотидных замен, но снижается число делеций (потерь участков ДНК). Пока непонятно, есть ли в этом какой-то эволюционный смысл – исследования продолжаются.

Автор последнего упомянутого обзора предлагает заменить понятие «стресс-индуцированного мутагенеза» понятием «стресс-индуцированной генетической вариабельности», чтобы подчеркнуть изменение не только числа, но и характера мутаций при стрессе

Comments

[egovoru.livejournal.com]

Боюсь, я не поняла Ваш вопрос :(

[serge no (from livejournal.com)]

Это к вопросу о влиянии среды на мутации в генах, отвечающих за метаболизм лактозы. Вообще, посмотрел я, наконец, немного статью по второй ссылке (которая за словом "выяснилось"), хотя и тяжело в это вникать, и как-то мне на первый взгляд не показалось, что там имеется в виду именно то, что в целом стресс-индуцированные реакции заключаются "просто в общем увеличении числа мутаций". Наоборот, там упоминается также и возможность "ограничения мутагенности в пространстве генома".

[egovoru.livejournal.com]

"Ограничения мутагенности в пространстве генома" - это явление уже довольно давно известное, и заключается оно в том, что не все участки генома мутируют с равной частотой. Но, насколько я понимаю, они вообще всегда так мутируют, а не специфически под воздействием стресса.

Я имела в виду вот какое место:

"Cells that have experienced a stress-induced Lac+ reversion show ~50-fold higher frequencies of unselected secondary mutations affecting many genes throughout their genomes (Godoy et al., 2000; Rosche and Foster, 1999; Torkelson et al., 1997), compared with either unstressed cells or their stressed Lac− neighbor cells from the same selection plates. This implies first, that mutagenesis is not specifically targeted to the lac gene or surrounding DNA (as had been hypothesized in early “directed mutation” models, e.g., Cairns et al., 1988)."

[serge no (from livejournal.com)]

Однако, это "throughout their genomes" относится, скорее, к мутировавшей субпопуляции в целом, а не к отдельным особям. Кабы в каждой бактерии механизм раскручивания мутаций бомбил по всему геному разом, то мутанты со stress-induced Lac+ reversion одновременно с большой вероятностью были бы и нежизнеспособными уродами.
Там пишут также: "Ponder et al. (2005) suggested that the DSBs that fuel chromosomal mutagenesis might be random spontaneous DSBs that potentially occur anywhere in the genome. In a large population of cells, therefore, the whole genome would be mutagenized, but in any given cell, only localized regions near one or more DSBs in the cell would be mutagenized. Thus, in rare cells that acquire an adaptive mutation, the chance of having acquired deleterious mutations in distant regions in the genome is much reduced."
Это как раз с точки зрения успешных мутантов выглядит как своего рода "направленный" мутагенез. Можно сказать, кто выжил, тот и решает, направленное было воздействие или нет. ))

[egovoru.livejournal.com]

"с точки зрения успешных мутантов выглядит как своего рода "направленный" мутагенез"

Непонятно, что такое "точка зрения успешных мутантов". Результатом эволюции является частотное распределение аллелей в популяции. Если зоны повышенной мутагенности появляются у разных организмов в разных генах, то это и значит, что никакого направленного влияния среды нет.

Я, к сожалению, не знаю, какие механизмы отвечают за неравномерное распределение частоты мутаций по геному в нормальных условиях, но теоретически вполне можно представить себе ситуацию, когда эти механизмы зависят от среды. Если я правильно помню, активно транскрибируемые участки ДНК (то есть, те, на которых активно синтезируется РНК), мутируют чаще, чем неактивные. Если это и правда так, то изменение карты экспрессии генов при изменении условий (а это стандартный ответ клетки на изменение условий) автоматически сместит и распределение участков повышенной мутационной активности. Можно придумать и другие регуляторные процессы с подобным эффектом, но, конечно, из того, что нечто можно придумать, вовсе не следует, что оно обязательно есть в реальности :)

[serge no (from livejournal.com)]

Непонятно, что такое "точка зрения успешных мутантов".

Это я иронизирую. С точки зрения исследователей, рассматривающих этих успешных мутантов.

Если зоны повышенной мутагенности появляются у разных организмов в разных генах, то это и значит, что никакого направленного влияния среды нет.

Если под влиянием понимать только мутагенез в популяции в целом, то нет. Но в совокупности с тем, что одних будет угнетать либо недостаток питания, либо вредоносные мутации, а другие получают и питание, и с большой вероятностью отсутствие сопутствующих вредных мутаций, это не выглядит как то же самое, что и увеличение частоты мутаций во всех частях генома у каждого мутирующего организма. В последнем случае было бы непонятно, почему вообще этих успешных мутантов видят регулярно. Они должны были бы быть крайне редким случаем.

[egovoru.livejournal.com]

"почему вообще этих успешных мутантов видят регулярно. Они должны были бы быть крайне редким случаем"

Так ведь этих мутантов же специально отбирают, выращивая на селективной среде? В такой постановке эксперимента, какая описана в первоначальной статье, вообще невозможно понять, что происходит, потому что те бактерии, которые на этой среде не выросли, просто пропали, и никому не известно, были ли у них мутации и какие именно.

[serge no (from livejournal.com)]

Почему они вообще появляются в этом эксперименте, в добром здравии? При случайном разбросе мутаций по всему геному у каждого их не только должно быть меньше (и это, по идее, поддаётся сравнительному рассчёту), их количество тоже должно сильно колебаться раз от раза, из-за того, что сопутствующие мутации затрагивали бы самые разные свойства.

[egovoru.livejournal.com]

Боюсь, не поняла Ваших вопросов. Что значит "в добром здравии"? В нормальных условиях? В нормальных условиях реверсии тоже появляются - а почему они не должны? Но реже, чем на среде только с лактозой.

[serge no (from livejournal.com)]

Потому что эти реверсии, и так редкие, с большой вероятностью терялись бы среди вредоносных мутаций. Реверсия в одном месте, а к ней ещё множество мутаций в совершенно разных местах (а не более или менее локализованных).

[egovoru.livejournal.com]

Так ведь мутации - явление вообще редкое. Вот здесь пишут (https://elifesciences.org/articles/22939), что нормальная частота мутаций в популяции бактерий - 10⁻³ mutations per genome per generation, то есть, среди 1000 бактерий - только одна имеет одну мутацию в одном гене. Авторы изучали влияние другого стрессового фактора, этанола, на частоту мутаций, и получили увеличение частoты в диапазоне 2-30 раз. То есть, все равно в среднем меньше одной мутации на геном. Правда, в предисловии они пишут, что в каких-то случаях частота мутаций может увеличиваться аж до 10000 раз, но, похоже, это скорее исключение, чем правило.