Zwykły przydrożny chwast może być kluczem do zrozumienia i przewidywania mutacji DNA. Nowe badania sugerują, że zmiany genetyczne, które pojawiają się w DNA organizmu, mogą nie być całkowicie przypadkowe, choć jest to sprzeczne z jednym z głównych założeń teorii ewolucji.
Według nowych badań przeprowadzonych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis i Instytucie Biologii Rozwoju im. Maxa Plancka w Niemczech, mutacje DNA nie są całkowicie przypadkowe, choć przez długi czas tak właśnie uważano. Zmiany w DNA wydają się mieć pewien wzór, a nie tylko wynikać z kaprysów losu. Takie podejście jest w rzeczywistości korzystne dla przetrwania gatunku.
Odkrycia te, opublikowane w czasopiśmie „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-021-04269-6), radykalnie zmieniają nasze rozumienie ewolucji i mogą pewnego dnia pomóc naukowcom w hodowli lepszych upraw, a nawet pomóc w walce z nowotworami.
Wskazówki z badań rzodkiewnika pospolitego
Naukowcy badający mutacje genetyczne w powszechnie występującym przydrożnym chwaście – rzodkiewniku pospolitym (Arabidopsis thaliana) – odkryli, że roślina ta może chronić najbardziej „podstawowe” geny w swoim DNA przed zmianami, pozwalając na zmiany w innych sekcjach materiału genetycznego.
– Zawsze myśleliśmy o mutacji DNA jako o zmianie w zasadzie losowej w całej jego długości – powiedział Gray Monroe z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, który jest głównym autorem artykułu. – Okazuje się, że mutacja jest bardzo nielosowa i wpływa to w sposób korzystny na rośliny. To zupełnie nowy sposób myślenia o mutacji – dodał.
Rzodkiewnik pospolity to mała roślina uważana za „szczura laboratoryjnego wśród roślin” ze względu na stosunkowo mały genom zawierający około 120 milionów par zasad (dla porównania ludzie mają około 3 miliardy par zasad). – To modelowy organizm genetyki – przyznał Monroe.
Nielosowy wzorzec
Naukowcy spędzili trzy lata na sekwencjonowaniu DNA setek rzodkiewników pospolitych. Prace rozpoczęły się w Instytucie Maxa Plancka, gdzie naukowcy hodowali okazy w chronionym środowisku laboratoryjnym, co pozwoliło roślinom z defektami przetrwać i rozwijać się w kontrolowanej przestrzeni, co raczej nie byłoby możliwe w naturze. Sekwencjonowanie DNA setek roślin ujawniło ponad milion mutacji. W obrębie tych mutacji, wbrew oczekiwaniom, znaleziono nielosowy wzór.
– Na pierwszy rzut oka to, co odkryliśmy, wydawało się przeczyć ustalonej teorii, że początkowe mutacje są całkowicie przypadkowe i że tylko dobór naturalny określa, które mutacje obserwuje się w organizmach – powiedział Detlef Weigel pracujący w Instytucie Maxa Plancka i główny autor badania.
Zamiast przypadkowości uczeni znaleźli fragmenty genomu o niskim współczynniku mutacji. W tych fragmentach odkryli nadreprezentację „podstawowych” genów, takich jak te zaangażowane we wzrost komórek i ekspresję genów. – To naprawdę ważne regiony genomu. Obszary, które są najważniejsze biologicznie, to te, które są chronione przed mutacją – powiedział Monroe.
Obszary te są również wrażliwe na szkodliwe skutki nowych mutacji. – Dlatego naprawa uszkodzeń DNA wydaje się być szczególnie skuteczna w tych regionach – dodał Weigel.
Przewidywanie mutacji
Naukowcy odkryli, że sposób, w jaki DNA zostało owinięte wokół różnych typów białek, był dobrym prognostykiem tego, czy gen ulegnie mutacji, czy nie. – Oznacza to, że możemy przewidzieć, które geny są bardziej podatne na mutację. Daje nam to dobry obraz tego, co się dzieje – powiedział Weigel.
Odkrycia te przynoszą zaskakujący zwrot w teorii ewolucji Karola Darwina o ewolucji przez dobór naturalny, ponieważ ujawniają, że roślina wyewoluowała, aby chronić swoje najbardziej istotne geny przed mutacją – ewoluowała, by zapewnić przetrwanie tym genom. – Roślina wyewoluowała sposób, aby chronić swoje najważniejsze miejsca przed mutacją. To ekscytujące. Moglibyśmy wykorzystać te odkrycia do zastanowienia się, jak chronić ludzkie geny przed mutacją – powiedział Weigel.
Potencjalne zastosowania
Wiedza o tym, dlaczego niektóre regiony genomu mutują bardziej niż inne, może pomóc hodowcom, którzy polegają na zmienności genetycznej w opracowywaniu lepszych upraw. Naukowcy mogliby również wykorzystać te informacje do lepszego przewidywania lub opracowywania nowych metod leczenia chorób, które są spowodowane mutacją, takich jak nowotwory.
– Nasze odkrycia dostarczają pełniejszego opisu sił kierujących wzorcami naturalnej zmienności. Powinny zainspirować nowe kierunki teoretycznych i praktycznych badań nad rolą mutacji w ewolucji” – czytamy w podsumowaniu publikacji.
Źródło: University of California, Davis
