Το εύθραυστο DNA επιτρέπει σε νέες προσαρμογές να εξελίσσονται γρήγορα

Οι εξελικτικοί βιολόγοι έχουν προβληματιστεί σχετικά με το γιατί η φύση, με τεράστιους γενετικούς πόρους στη διάθεσή της, μερικές φορές φαίνεται να έχει κολλήσει σε μια αποτελμάτωση. Ενάντια στις πιθανότητες, ξεχωριστά είδη και πληθυσμοί εξελίσσουν ανεξάρτητα τις ίδιες λύσεις στις προκλήσεις της ζωής και τα ίδια γονίδια στρατολογούνται για να μεταλλάξουν και να επιτρέψουν ορισμένες προσαρμογές ξανά και ξανά. Τώρα, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ πιστεύουν ότι έχουν βρει μέρος της απάντησης, τουλάχιστον για τα ψάρια που ονομάζονται ραβδώσεις με τρεις σπονδυλικές στήλες (Gasterosteus aculeatus ).

Σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη που περιγράφεται στο Science , Το DNA του stickleback έχει εύθραυστα «καυτά σημεία» που έχουν προδιάθεση να σπάνε και να μεταλλάσσονται πιο συχνά, με συνοδευτική απώλεια χαρακτηριστικών. Το αποτέλεσμα είναι ότι αυτά τα ψάρια εξελίσσονται γρήγορα την ίδια προσαρμογή - την απώλεια ενός ζεύγους πτερυγίων στη λεκάνη τους - επανειλημμένα.

Η ανακάλυψη χρησιμεύει ως υπενθύμιση ότι όταν εξετάζουμε πώς οι μεταλλάξεις βοηθούν στην «επιβίωση του ισχυρότερου», είναι επίσης σημαντικό να εξετάσουμε γιατί συνέβησαν αυτές οι μεταλλάξεις — «άφιξη του πιο ικανού», σύμφωνα με τον David Kingsley, τον εξελικτικό γενετιστή του οποίου το εργαστήριο διεξήγαγε μελέτη.

Αυτή η εργασία «ανυψώνει το φάσμα ότι δεν είναι όλες οι θέσεις στο γονιδίωμα ίσες. Ορισμένα μέρη θα είναι πιο επιρρεπή σε μετάλλαξη και αυτά μπορεί να έχουν νόημα για την επαναλαμβανόμενη προσαρμογή των πληθυσμών», δήλωσε ο Sean B. Carroll, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Maryland και διευθυντής επιστημονικής εκπαίδευσης στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes. , ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Νομίζω ότι είναι συναρπαστικό."

Επαναλαμβανόμενες μεταλλάξεις

Πριν από περίπου 10.000 χρόνια, το τέλος της τελευταίας εποχής των παγετώνων δημιούργησε πολλές νέες λίμνες και ρυάκια γλυκού νερού, καθώς οι παγετώνες που υποχωρούσαν γέμισαν τις κοιλότητες στη γη με νερό τήξης και ορισμένες μεταβαλλόμενες υδάτινες οδούς έχασαν τις άμεσες συνδέσεις τους με τον ωκεανό. Για μερικούς θαλάσσιους κολλητούς με τρεις ράχες που ζούσαν στα ανοικτά των ακτών αλλά μετανάστευσαν στην ενδοχώρα για να αναπαραχθούν, αυτή η αλλαγή στο τοπίο είχε τεράστιες συνέπειες επειδή παγιδεύτηκαν στις νέες λίμνες.

Καθώς αυτοί οι πληθυσμοί του γλυκού νερού εξελίχθηκαν στα νέα τους ενδιαιτήματα, συχνά ανέπτυξαν τις ίδιες προσαρμογές παράλληλα, μία από τις οποίες ήταν η απώλεια του πυελικού τους πτερυγίου. Κανείς δεν είναι σίγουρος γιατί η εξέλιξη ευνόησε επανειλημμένα αυτή την αλλαγή, αλλά είναι πιθανό ότι η απώλεια των πτερυγίων της πυέλου μείωσε το βάρος της οικοδόμησης των οστών σε περιβάλλοντα γλυκού νερού όπου το ασβέστιο και τα φωσφορικά είναι περιορισμένα. Μπορεί επίσης να διευκόλυνε τους κολλητούς του γλυκού νερού να αποφύγουν ορισμένους τοπικούς θηρευτές.

Για τους εξελικτικούς γενετιστές που μελετούν τα ψάρια, όπως εκείνοι στο εργαστήριο του Kingsley, ένα προφανές ερώτημα ήταν εάν οι παράλληλες απώλειες του πτερυγίου της λεκάνης προέκυψαν από τις ίδιες γενετικές αλλαγές ή από διαφορετικές. Υπάρχουν πολλοί τρόποι να «σπάσετε» την ανάπτυξη ενός χαρακτηριστικού, όπως υπάρχουν πολλοί τρόποι για να σπάσετε ένα περίπλοκο κομμάτι μηχανήματος, έτσι δεν υπάρχει εκ των προτέρων λόγος να πιστεύουμε ότι οι μεταλλάξεις θα συμβαίνουν πάντα στο ίδιο τμήμα του γονιδιώματος.

Αλλά η εργασία στο εργαστήριο Kingsley από το 2010 και το 2012 έδειξε ότι οι ίδιοι γενετικοί μηχανισμοί εμπλέκονταν ξανά και ξανά. Το ψάρι έμοιαζε πάντα να χάνει μια συγκεκριμένη ρυθμιστική περιοχή του DNA που ονομάζεται Pel ενισχυτής, ο οποίος καθοδηγεί την έκφραση μιας πρωτεΐνης που εμπλέκεται στην ανάπτυξη του πτερυγίου της πυέλου.

«Έτσι, υπήρχε μια εκπληκτική προβλεψιμότητα στις γενετικές οδούς που χρησιμοποιούσαν τα ψάρια καθώς προσαρμόστηκαν σε ένα δεδομένο σύνολο περιβαλλοντικών συνθηκών», είπε ο Kingsley. Η Kathleen Xie, η οποία είναι τώρα ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Καρκίνου Dana-Farber στη Βοστώνη, έγινε περίεργη για το ποιος μοριακός μηχανισμός έκανε αυτή την εξελικτική αλλαγή τόσο αναπαραγώγιμη και έκανε αυτό το ερώτημα στο επίκεντρο της διδακτορικής της διατριβής στο εργαστήριο του Kingsley. /P>

Μια πιθανή εξήγηση ήταν ότι τα θαλάσσια ραβδιά είχαν ήδη μια σπάνια μετάλλαξη για την απώλεια του πτερυγίου της λεκάνης, μια μετάλλαξη που προέκυψε στους προγόνους τους. Μόλις βρεθούν σε γλυκό νερό, οι πληθυσμοί με stickleback θα μπορούσαν «να μπουν σε μια τσάντα με τεχνάσματα που είχαν εφευρεθεί προηγουμένως», είπε ο Kingsley, και να χρησιμοποιήσουν αυτήν την υπάρχουσα μετάλλαξη σε νέα χρήση.

Αλλά δεν συνέβαινε αυτό:σε κάθε πληθυσμό, ολοκαίνουργιες μεταλλάξεις εμφανίζονταν στο Pel ενισχυτής, είπε ο Kingsley. Και σε κάθε περίπτωση, η μετάλλαξη περιλάμβανε την απώλεια εκατοντάδων έως χιλιάδων ζευγών βάσεων DNA.

Όταν ο Xie, ο Kingsley και οι συνάδελφοί τους στο εργαστήριο εξέτασαν πιο προσεκτικά την αρχική θαλάσσια μορφή του Pel των sticklebacks ενισχυτή, διαπίστωσαν ότι ήταν ασυνήθιστα εύθραυστο:έσπασε 25 έως 50 φορές πιο συχνά από ό,τι συνήθως οι αλληλουχίες DNA. Περιείχε επίσης εξαιρετικά μακριές σειρές από εναλλασσόμενες βάσεις DNA γουανίνης και θυμίνης (επαναλήψεις GT). Η κλασική δομή του DNA είναι μια δεξιά διπλή έλικα που ονομάζεται B-DNA, αλλά το DNA μπορεί να λάβει και άλλες δομές. Μια σειρά επαναλήψεων GT, ωστόσο, μπορεί τοπικά να αλλάξει τη δομή σε κάτι πιο ασυνήθιστο, όπως το αριστερόχειρα (ή Z) DNA, το οποίο είναι επιρρεπές σε σφάλματα και σπάσιμο, επειδή τα κύτταρα δυσκολεύονται να το αναπαραγάγουν με ακρίβεια. Η ευθραυστότητα του Pel Η αλληλουχία εξαρτάται από το μήκος της σειράς των επαναλήψεων GT καθώς και από τη θέση αυτών των επαναλήψεων σε σχέση με το σημείο στο DNA που ξεκινά η διαδικασία αντιγραφής.

«Αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον γιατί οποιαδήποτε από αυτές τις ιδιότητες θα ήταν εύκολο να αλλάξει κατά τη διάρκεια της εξέλιξης», σημείωσε ο Kingsley. Εάν αλλάξατε το μήκος των GT, αλλάξατε τον προσανατολισμό των GT ή αλλάξατε εάν αντιγράφονται στον άνω ή τον κάτω κλώνο του DNA, όλα αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να αλλάξουν την ευθραυστότητα της αλληλουχίας και επομένως τον ρυθμό μετάλλαξης , αυτός εξήγησε. Το εύθραυστο DNA είναι συνήθως κακό για τα κύτταρα επειδή σχετίζεται με καρκίνο και γονιδιακή διαταραχή. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, για την ευθραυστότητα του Pel για να έχει επιβιώσει, οι περίεργες ακολουθίες μπορεί επίσης να έχουν προσφέρει ορισμένα πλεονεκτήματα.

Εύθραυστο DNA και γονιδιακή έκφραση

Είναι εύκολο να πέσουμε στο λάθος να σκεφτούμε ότι το κύριο πλεονέκτημα ήταν ότι η ευθραυστότητα έκανε το Pel γονίδιο εξαιρετικά εξελικτικό, ώστε να μπορεί να επιτρέψει μια σημαντική προσαρμογή εάν χρειαστεί. Αλλά η φυσική επιλογή δεν στοιχηματίζει σε χαρακτηριστικά που μπορεί να προσαρμοστούν κάποια μέρα. Αντίθετα, η προτιμώμενη υπόθεση των Xie και Kingsley είναι ότι η γονιδιακή έκφραση, όχι η μεταβλητότητα, ήταν το κλειδί:Εάν οι επαναλήψεις GT διεγείρουν την έκφραση γονιδίων στα θαλάσσια stickleback, τότε η εξέλιξη μπορεί αρχικά να τα ευνόησε για να βοηθήσουν αυτά τα ψάρια να παράγουν μακριά, γερά πυελικά πτερύγια.

Η προσθήκη και η αφαίρεση επαναλήψεων θα ήταν τότε ένας εύκολος τρόπος για να βελτιωθεί η έκφραση των γονιδίων που εμπλέκονται στην ανάπτυξη του πτερυγίου της λεκάνης. Μόλις τα ίδια γράμματα επαναληφθούν τυχαία μερικές φορές, εξήγησε ο Kingsley, «η τοπική επανάληψη έχει μια φυσική τάση να αυξάνεται και να συρρικνώνεται λόγω σφαλμάτων ευθυγράμμισης που μπορεί να προκύψουν μεταξύ των κλώνων του DNA κατά τον ανασυνδυασμό ή την αντιγραφή του DNA».

Η τυχαία παρενέργεια ήταν ότι η μακρά σειρά επαναλήψεων GT ήταν επίσης εύθραυστη και μεταβλητή. «Η ίδια η δυνατότητα ρύθμισης της έκφρασης τα κάνει επίσης επιρρεπή στο να «βγάλουν το πόμολο» από τον πίνακα ελέγχου εντελώς», είπε ο Kingsley, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντική αλλαγή στη δομή του σώματος όταν άλλαξε δραστικά το περιβάλλον των ψαριών.

Μια μετάλλαξη από τη θραύση του εύθραυστου DNA είναι διαφορετική από τις μεταλλάξεις που προκαλούνται από τυχαία προκύπτουσες αλλαγές ενός νουκλεοτιδίου. Όταν μια εύθραυστη περιοχή σπάει, αλλάζει εκατοντάδες ή χιλιάδες ζεύγη βάσεων – εξαλείφοντας ουσιαστικά κομμάτια ρυθμιστικών ακολουθιών με μια πτώση. Αυτό επιτρέπει την ταχεία εξέλιξη μεγάλων, καινοτόμων χαρακτηριστικών, όχι μόνο τη βελτίωση των υφιστάμενων χαρακτηριστικών στον φαινότυπο ή τα φυσικά χαρακτηριστικά του οργανισμού. «Έτσι νομίζω ότι έχουν υψηλότερο φαινοτυπικό αποτέλεσμα από την απλή αλλαγή ενός ζεύγους βάσεων», είπε ο Kingsley. Με αυτόν τον τρόπο, μια μεγαλύτερη βλάβη DNA μπορεί να προκαλέσει μεγαλύτερη αλλαγή στον φαινότυπο, ο οποίος στη συνέχεια υπόκειται σε ισχυρότερη θετική ή αρνητική επιλογή, πρόσθεσε.

Σύμφωνα με τη γενετική του πληθυσμού, μια μεγάλη μετάλλαξη με ισχυρό φαινοτυπικό αποτέλεσμα έχει περισσότερες πιθανότητες να σταθεροποιηθεί σε έναν πληθυσμό, είπε ο Kingsley. Αντίθετα, οι μεταλλάξεις ενός ζεύγους βάσεων θα ήταν πιο πιθανό να χαθούν τυχαία μέσω μιας διαδικασίας γενετικής μετατόπισης.

«Πρέπει να σκεφτείς τόσο την «άφιξη του ισχυρότερου» όσο και «την επιβίωση του ισχυρότερου», είπε ο Kingsley. "Μη τυχαίες βιοχημικές ιδιότητες επηρεάζουν το φάσμα των μεταλλάξεων που προσφέρονται μέχρι την εξέλιξη" και αυτό μπορεί να οδηγήσει στην επαναχρησιμοποίηση των ίδιων γενετικών μηχανισμών όταν ένα περιβάλλον επιλέγει ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό.

Χάνετε το DNA για να αποκτήσετε χαρακτηριστικά;

Η ομάδα του Kingsley έχει βρει τουλάχιστον 100 άλλες τοποθεσίες στο γονιδίωμα των θαλάσσιων sticklebacks που έχουν άφθονες επαναλήψεις GT και υποψιάζονται ότι αυτές οι περιοχές έχουν παρόμοια ευθραυστότητα επειδή συχνά απουσιάζουν από τους απογόνους των ψαριών του γλυκού νερού. Οι ερευνητές διερευνούν τώρα ποια χαρακτηριστικά συνδέονται με αυτές τις αλληλουχίες. Όταν τα θαλάσσια ψάρια προσαρμόζονταν στο γλυκό νερό, η απώλεια των εύθραυστων περιοχών του DNA μπορεί να είχε εξαφανίσει άλλα χαρακτηριστικά εκτός από το πτερύγιο της λεκάνης - αλλά ο Kingsley πιστεύει ότι είναι τουλάχιστον εύλογο ότι ορισμένες από αυτές τις απώλειες DNA προκάλεσαν επίσης την εμφάνιση εντελώς νέων χαρακτηριστικών στο είδη γλυκού νερού.

Ο Michi Tobler, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κάνσας που μελετά παράλληλες προσαρμογές μεταξύ των ψαριών που ζουν σε εξαιρετικά τοξικές πηγές υδρόθειου στο Μεξικό, είναι πιο δύσπιστος για αυτήν την πιθανότητα. Εάν ένας οργανισμός χρειάζεται ένα νέο χαρακτηριστικό για να προσαρμοστεί σε ένα νέο περιβάλλον, είπε, "Δεν είμαι σίγουρος πώς θα συμβεί αυτό μέσω αυτής της αυξημένης πιθανότητας διαγραφών στο γονιδίωμα που καταγράφουν."

Αλλά συμφώνησε ότι το μοντέλο Xie και Kingsley που πρότειναν θα μπορούσε να είναι καρποφόρο. «Αυτό που μας έδωσε η μελέτη είναι μια πραγματικά νέα και συναρπαστική οδός για να εξετάσουμε αυτό το πρόβλημα της μετάλλαξης και πώς διαμορφώνει την εξέλιξη», είπε. "Έχουμε κάτι να ψάξουμε τώρα."

Ο Carroll έκανε παρόμοια παρατήρηση:«Το ενδιαφέρον εδώ είναι ότι εάν αυτός ο μηχανισμός λειτουργεί σε άλλους τόπους [θέσεις στο γονιδίωμα], θα θέλουμε πραγματικά να κατανοήσουμε την προέλευση αυτών των αλληλουχιών και τις δυνάμεις που επηρεάζουν το κέρδος, την απώλεια τους. και διατήρηση σε πληθυσμούς», είπε. "Νομίζω ότι οι άνθρωποι θα δώσουν προσοχή γιατί θα κοιτάξουν γύρω τους και θα πουν:"Γεια, συμβαίνει κάτι τέτοιο σε κάτι που μελετώ;"

Δεν είναι επί του παρόντος ασαφές πόσο η εξέλιξη και η προσαρμογή επηρεάζονται από μηχανισμούς μετάλλαξης όπως η ευθραυστότητα του DNA που προκαλούν ασυνήθιστες δομικές αλλαγές στο γονιδίωμα. Οι ερευνητές είχαν την τάση να επικεντρώνονται σε αλλαγές μεμονωμένων νουκλεοτιδίων, είπε ο Kingsley, επειδή οι απλές αλλαγές νουκλεοτιδίων είναι εύκολο να βαθμολογηθούν σε αναλύσεις γονιδιώματος. Οι μηχανισμοί που δημιουργούν μεγάλες μεταλλάξεις με υψηλούς ρυθμούς ενδέχεται να μην έχουν μελετηθεί επαρκώς.

Αλλά αυτές οι μεταλλάξεις μεγάλης επίδρασης μπορεί να διαδραματίσουν πιο σημαντικό ρόλο από ό,τι έχει γενικά αναγνωριστεί, υποστηρίζει ο Kingsley, ειδικά σε είδη με σχετικά μικρούς πληθυσμούς και μεγάλους χρόνους γενεών, όπως οι άνθρωποι. Σε μια μελέτη του 2011, αυτός και οι συνάδελφοί του βρήκαν περισσότερους από 500 τόπους όπου οι άνθρωποι είχαν διαγράψει πλήρως τις εξαιρετικά συντηρημένες, μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες από τότε που οι πρόγονοί μας χωρίστηκαν από εκείνες των χιμπατζήδων πριν από περισσότερα από 5 εκατομμύρια χρόνια. Πιο πρόσφατα, όπως σημείωσαν οι Xie ​​και Kingsley στο χαρτί τους, περίπου οι μισές από τις επί του παρόντος καταγεγραμμένες μοριακές αλλαγές που ευνόησε η φυσική επιλογή κατά τις ανθρώπινες μεταναστεύσεις σε όλο τον κόσμο τα τελευταία 60.000 χρόνια ήταν αποτέλεσμα μηχανισμών που παρήγαγαν συχνές μεταλλάξεις. "Και αυτές είναι μόνο οι περιπτώσεις που γνωρίζουμε ήδη", έγραψε σε ένα email.

Τα νέα ευρήματα έχουν ευαισθητοποιήσει τον Kingsley και τους συναδέλφους του στο γεγονός ότι, όπως και σε αυτά τα ψάρια, οι γενετικές αλλαγές που οδηγούν την ταχεία εξέλιξη ενός είδους μπορεί να μην εξαπλωθούν σε έναν πληθυσμό αποκλειστικά και μόνο λόγω των ευεργετικών τους επιπτώσεων. μπορεί επίσης να έχουν ειδικές ιδιότητες που τα κάνουν να εμφανίζονται πιο συχνά. «Αυτό το μάθημα», έγραψε, «μπορεί μόνο να βοηθήσει στην αναζήτηση της αιτιώδους βάσης άλλων ενδιαφέροντων χαρακτηριστικών, είτε στα ραβδιά, είτε στους ανθρώπους ή σε άλλα είδη.

Η διόρθωση προστέθηκε στις 5 Φεβρουαρίου 2019:Η περιγραφή της εργασίας για τα ανθρώπινα γονιδιώματα στο εργαστήριο Kingsley αναθεωρήθηκε για να διευκρινιστεί η φύση και ο χρόνος των παρατηρούμενων μεταλλάξεων και διαγραφών.

Η διόρθωση προστέθηκε στις 6 Φεβρουαρίου 2019:Η θυμίνη με βάση το DNA αναφέρθηκε εσφαλμένα ως τυροσίνη.