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

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Hello!
LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team

[serge no (from livejournal.com)]

частота мутаций повышается вовсе не только у гена β-галактозидазы, но и у многих других генов, не имеющих никакого отношения к метаболизму лактозы

А лактоза тогда при чём? Механизм повышения частоты мутаций какой-то лактозоспецифический? Может, это не механизм вообще, а просто процессу копирования генома плохеет?

[evgeniirudnyi.livejournal.com]

Непонятно, почему процентное отношение полезных мутаций должно было бы увеличиться.

[kauri-39.livejournal.com]

Или всё-таки есть какое-то влияние мутации одного гена на "логически связанные" с ним другие гены. Частота их мутаций повышается, чтобы было из чего выбрать соответствие новому гену бета-галактозидазы - организм клетки всё-таки общий для всех её генов.

[serge no (from livejournal.com)]

Для этого был бы нужен механизм размножения генома, полагающийся не на тупое поэлементное копирование, а руководствующийся какими-то "логическими связями" и манипулирующий результатами мутаций. При этаком техническом навороте непонятно, зачем и мутации. Чего б ему тогда самому не реагировать на изменения среды и не инициировать перестройку генома без ожидания сомнительных случайностей.

[kauri-39.livejournal.com]

"Тупое поэлементное копирование" определяется химическими связями молекул. Но они не объясняют выявленную и обсуждаемую здесь зависимость роста мутаций множества генов от мутации одного гена. Значит, надо искать другие связи на более фундаментальном, физическом уровне. Видимо, они гораздо слабее и поэтому не работают в копировании генетической информации. Но как-то участвуют в создании нужного количества мутаций для выбора адекватных вариантов.

[serge no (from livejournal.com)]

В посте написано просто про повышение частоты мутаций одновременно у многих генов. Какая зависимость от мутации одного гена?

[kauri-39.livejournal.com]

Эта зависимость следует из того, что нет прямой зависимости от влияния среды (добавления в неё лактозы):
"Казалось бы, налицо направленное адаптивное влияние среды на гены, не так ли? Так, да не так..."
И тогда остаётся одно влияние — повышение частоты мутаций гена, реагирующего на появление в среде лактозы:
"частота мутаций повышается вовсе не только у гена β-галактозидазы, но и у многих других генов, не имеющих никакого отношения к метаболизму лактозы."

Может, я что-то не так понял, пусть автор блога или специалист, разбирающийся в этой проблеме, меня поправит.

[egovoru.livejournal.com]

Правильно, Фрэнк!

[egovoru.livejournal.com]

Лактоза здесь выступает в качестве фактора среды, предположительно вызывающего адаптивные генетические изменения (восстановление функции расщепления лактозы). И действительно, добавление лактозы к среде увеличивает число реверсий (т.е., полезных в этих условиях мутаций). Но объясняется это повышением в этих условиях частоты мутагенеза как такового, а не появлением именно полезных мутаций.

[egovoru.livejournal.com]

Это гипотеза, которую проверяли в этом эксперименте. Она предполгает, что изменение условий среды (в данном случае, добавление в нее лактозы) должно приводить к увеличению частоты полезных в этих условиях мутаций. И эта частота действительно увеличивается, но только потому, что увеличивается общее число мутаций.

[egovoru.livejournal.com]

"Логически" (то есть, функционально) связанные гены, действительно, часто располагаются рядом на цепи ДНК (особенно у прокариот, как кишечная палочка, о которой идет речь). Это обеспечивает координированную регуляцию их экспрессии (то есть, синтеза на них РНК), что, очевидно, имеет приспособительное значение, поскольку белки-продукты этих генов участвуют в одном физиологическом процессе.

Но вот представить себе регуляторный механизм, согласно которому увеличение частоты мутагенеза одного гена повлияло бы на другие гены, даже функционально связанные, не очень-то легко, ведь процессы репликации ДНК и синтеза на ней РНК никак не связаны.

[egovoru.livejournal.com]

Интересно, что сейчас, когда мы немного разобрались в том, как регулируется частота мутагенеза, теоретически можно было бы представить себе механизмы, обеспечивающие разную его частоту в разных генах. Дело в том, что помимо переключения на ДНК-полимеразу другой точности копирования, частота мутагенеза регулируется еще и на стадии исправления ошибок репликации. Ферменты, осуществляющие этот процесс, в принципе могли бы работать гено-специфично: например, распознавать какие-то специальные участки последовательности, реагировать на ее G/C содержание или пространственную организацию и т.д. Но, насколько я поняла, примеров такого пока что не обнаружено.

[egovoru.livejournal.com]

"выявленную и обсуждаемую здесь зависимость роста мутаций множества генов от мутации одного гена"

Нет, ни о какой "зависимости зависимость роста мутаций множества генов от мутации одного гена" ни в одной из упомянутых мной работ не говорится. Результат эксперимента с "выключенным" геном бета-галактозидазы состоял в том, что добавление лактозы в среду вызвало увеличение частоты мутаций не только в нем, но и в других генах. Из этого результата никоим образом не следует вывод о наличии причинно-следственной связи между мутациями в гене бета-галактозидазы и других генах.

[egovoru.livejournal.com]

Объяснила в ответе на предыдущий комментарий.

[greygreengo.livejournal.com]

На картинке можно увидеть обычный п-н-п (или н-п-н, кому как нравится) транзистор, в котором управляющий слабый сигнал идет возвратом на эмиттер, но совершенно отсутствуют другие возможные выходы, для того, чтобы это устройство можно было как-то разумно использовать в какой-нибудь схеме.

[egovoru.livejournal.com]

Неожиданная аналогия :)

[serge no (from livejournal.com)]

Ну, понятно, что в качестве фактора среды. Непонятно, насколько специфического фактора. Если это общий мутаген наподобие радиации, то какой смысл говорить, что он вызывает повышение частоты мутаций "не только у гена β-галактозидазы"? Ему в таком случае вообще существование этого гена до лампочки. Вызывает повышение частоты мутаций в принципе, и всё. Или не до лампочки? По какой, собственно, причине лактоза является этим фактором?

[egovoru.livejournal.com]

Так в том же и дело, что, когда увидели, что частота реверсий у гена галактозидазы на лактозе повышается, то решили, что лактоза выступает специфическим фактором, вызывающим полезные мутации именно этого гена. Но потом выяснилось, что и в других генах увеличивается частота мытаций, так что лактоза выступает как регулятор частоты мутагенеза как такового, без всякой специфичности.

[serge no (from livejournal.com)]

Это всё ещё далеко от гено-специфичности, и представляет собой только релаксацию процедуры копирования, не имеющую обратной связи с эффектами, порождаемыми изменением кода. Примеры потому, наверное, и не обнаружены, что такого рода механизмы не направлены на массовое воспроизводство ни более, ни менее приспособленных. Начинают вместо адаптации через отбор реализовывать "свободу творчества", и все их произведения тонут в "статистическом колодце" (если только сами эти механизмы не отключаются вовремя в результате мутаций, чтобы, боже упаси, больше никогда не включаться, и не быть обнаруженными экспериментаторами).

[egovoru.livejournal.com]

Если учесть, что большинство мутаций вредны, то механизм, ограничивающий увеличение частоты мутагенеза только теми генами, которые задействованы в реакции на вызвавший увеличение частоты фактор, мог бы быть адаптивным. В нашем примере: зачем мутировать все гены, потенциально разрушая их, когда можно мутировать только гены метаболизма лактозы? Но, судя по всему, такой механизм работает хуже, чем гипермутирование всех генов. Видимо, какие-то мутации в них могут улучшать выживание в новых условиях косвенным образом, не влияя на расщепление лактозы.

[serge no (from livejournal.com)]

Так почему она выступает как этот регулятор? Это какой-то уникальный случай? Других мутагенов не существует? Или они не вызывают увеличения частоты мутаций конкретно этого гена? В противном случае то, что до появления технических возможностей отслеживать происходящее в геноме помимо этого гена, считали, что лактоза каким-то особенным образом на него действует, как-то очень наивно звучит.

[egovoru.livejournal.com]

Почему наивно? Целенаправленное адаптивное воздействие среды на организм - очень живучая идея, которая психологически, видимо, более привлекательна, чем отбор среди нецеленаправленных вариаций. Когда открыли, что некоторые факторы среды увеличивают частоту мутагенеза, то решили, что вот это оно и есть, целенаправленное адаптивное воздействие. В те времена ведь о мутациях судили в первую очередь по фенотипу, и возможности установить наличие мутаций в других генах просто не было, если они фенотипически не проявлялись.

[serge no (from livejournal.com)]

Да ведь механизм, который целенаправленно изменяет частоту мутагенеза в генах, связанных с реакцией на внешние факторы, — это не какой-то там распознаватель GC-состава, а целая экспертная система. Этого может не быть не из-за того, что оно чем-то хуже, а просто потому, что не сложилось.

[serge no (from livejournal.com)]

Потому, что сравнить влияние разных мутагенов на частоту мутаций в одном гене можно и без изощрённой техники работы с геномом. Если при подаче на вход чёрного ящика какого-то сигнала на выходе получается определённый спектр откликов, то попробовать, что получается при подаче других сигналов, и чем оно отличается (если вообще отличается) — это первое, что может прийти в голову вменяемому экспериментатору.