Чи можна підвищити шанси на вдалу мутацію

У 1944 році аспірант-генетик Колумбійського університету Евелін Віткін вчинила випадкову помилку. Під час свого першого експерименту в лабораторії Колд-Спрінг-Харбор у Нью-Йорку вона випадково облучила мільйони кишкових паличок смертельною дозою ультрафіолетового світла. Повернувшись на наступний день, щоб перевірити зразки, вона виявила, що всі вони мертві. Крім одного, у якому чотири бактеріальних клітини вижили і продовжили зростання. Якимось чином ці клітини змогли впоратися з ультрафіолетовим опроміненням. Для Віткін стало вдалим збігом і те, що всі клітини цієї культури обзавелися саме тієї мутацією, яка допомогла їм вижити — настільки вдалим, що вона сумнівалася, чи було це збігом взагалі.

Впродовж наступних двадцяти років Віткін намагалася зрозуміти, як і чому з’явилися ці мутанти. Її дослідження привели до так званой SOS-відповіді, механізму відновлення ДНК, який використовують бактерії, коли їх геноми виявляються пошкоджені; під час цього відновлення десятки генів стають активними, і швидкість мутації підвищується. Ці мутації найчастіше шкідливі, ніж корисні, але вони дозволяють адаптуватися, наприклад, до ультрафіолетового світла або антибіотиків.

З тих пір деяких еволюційних біологів мучило питання: чи підтримує природа такий порядок? Є сплеск мутацій лише вторинним наслідком відновлення процесу, по своїй суті схильного до помилок? Або, як стверджують деякі дослідники, збільшення швидкості мутації — це еволюційна адаптація, яка допомагає бактеріям швидше розвиватися в стресових умовах?

Наукова задача полягає не тільки в тому, щоб переконливо продемонструвати, що сувора середовище викликає невипадкові мутації. А також у тому, щоб знайти робочий механізм, сумісний з рештою молекулярною біологією, який міг би зробити вдалі мутації більш імовірними. Різні хвилі досліджень бактерій і більш складних організмів намагалися знайти відповіді на ці питання десятиліттями.

Останній і, можливо, кращий відповідь — пояснює деякі види мутацій, у всякому разі — з’явився з досліджень дріжджів, як повідомлялося в червні в PLOS Biology. Група вчених на чолі з Джонатаном Хаусли, фахівцем з молекулярної біології та генетики в Інституті Бабрахама в Кембриджі, запропонувала механізм, який викликає більше мутацій гена дріжджів в тих регіонах, в яких може стати найбільш адаптивним.

«Це абсолютно новий спосіб, за допомогою якого навколишнє середовище може впливати на геном і дозволяти адаптуватися при необхідності. Це один з найбільш спрямованих процесів, які ми бачили», – говорить Філіп Гастінгс, професор молекулярної і людської генетики в Медичному коледжі Бейлора, який не брав участі в експериментах групи Хаусли. Інші вчені підтримали цю роботу, але з застереженням, що спірні ідеї вимагають більшої підтримки фактами.

Збільшення різноманітності в геномі

«Замість того щоб задавати дуже широкий питання типу «чи завжди випадкові мутації?», я вирішив вдатися до більш механістичного підходу», говорить Хаусли. Він і його колеги звернули увагу на особливий вид мутації під назвою варіації числа копій. ДНК найчастіше містить безліч копій розширених послідовності пар основ або навіть цілих генів. Точне число може змінюватись від індивіда до індивіду, тому що коли клітини ділять свою ДНК до поділу клітин, помилково можуть вставлятися або віддалятися копії послідовностей генів. У людей, наприклад, 5-10% геному демонструють варіації числа копій від людини до людини — і іноді ці варіації пов’язують з раком, діабетом, аутизмом та безліччю генетичних порушень. Хаусли підозрює, що принаймні в деяких випадках ця варіація в числі генів може бути відповіддю на стреси або небезпеки в навколишньому середовищі.

У 2015 році Хаусли і його колеги описали механізм, завдяки якому дріжджові клітини, схоже, отримували додаткові варіації числа копій в генах, пов’язаних з рибосомами, частинами клітини, яка синтезує білки. Однак вони не довели, що це збільшення було цілеспрямованим адаптивним відповіддю на зміну або обмеження клітинної середовищі. Тим не менше, їм здалося, що дріжджі роблять більше копій рибосомних генів, коли поживних речовин в достатку, а потреба в отриманні білка може бути вище.

Тому Хаусли вирішив перевірити, чи будуть подібні механізми безпосередньо впливати на гени, активуючись небезпечними змінами навколишнього середовища. У своїй роботі 2017 року разом з командою він зосередився на CUP1, гені, який допомагає дріжджам протистояти токсичних впливів міді. Вони з’ясували, що коли дріжджі піддаються впливу міді, варіації числа копій CUP1 в клітинах ростуть. В середньому в більшості клітин менше копій цього гена, але дріжджові клітини придбали більше — приблизно в 10% від загальної популяції — і стали резистентними до міді, завдяки чому почали процвітати. «Невелике число клітин, які зробили все правильно, опинилися в такій перевазі, що змогли перевершити всі інші».

Але це зміна саме по собі не означало багато: якщо мідь в навколишньому середовищі викликала мутації, зміна варіації числа копій CUP1 могло бути не більше ніж наслідком більш високої швидкості мутації. Щоб виключити цю можливість, дослідники хитро переробили ген CUP1, щоб він реагував на нешкідливий, не мутагенний цукор, галактозу, замість міді. Коли змінені дріжджові клітини піддавалися впливу галактози, варіація числа копій теж змінювалася.

Клітини, схоже, направляли більше варіацій в потрібне місце в геномі, де ті були б корисні. Провівши додаткові роботи, вчені ідентифікували елементи біологічного механізму, що стоїть за цим явищем. Було відомо, що коли клітини реплікують свою ДНК, механізм реплікації іноді зупиняється. Зазвичай механізм може перезавантажитися і продовжити роботу на тому місці, де зупинився. Коли ж він не може, клітина повертається в початок реплікації, але при цьому іноді випадково видаляє послідовність генів або робить додаткові її копії. Це призводить до звичайної варіації числа копій. Але Хаусли і його команда прийшли до висновку, що комбінація факторів призводить до того, що ці помилки копіювання найімовірніше вражають гени, які активно відповідають на стреси з боку навколишнього середовища, а значить і найімовірніше демонструють варіацію числа копій.

Ключове тут те, що ці ефекти зосереджені на генах, що реагують на навколишнє середовище, і що вони можуть дати природному відбору додаткові можливості для тонкого налаштування рівнів експресії генів, які будуть оптимальними щодо певних проблем. Результати, як видається, є експериментальні дані про те, що складне середовище може стимулювати клітини до контролю цих генетичних змін, які максимально сприятимуть їх форму. Вони також можуть нагадувати застарілі додарвинские ідеї французького натураліста Жана-Баптиста Ламарка, що вважав, що організми еволюціонують при передачі придбаних в навколишньому середовищі характеристик своєму потомству. Хаусли ж стверджує, що ця подібність лише поверхневе.

«Ми визначили механізм, який виник у процесі дарвінівської селекції випадкових мутацій і який стимулює невипадкові мутації в корисних місцях», говорить Хаусли. «Це не ламарковская адаптація. Все це просто призводить до одного і того ж, але без проблем, пов’язаних з ламарковской адаптацією».

Адаптивна мутація і спори

З 1943 року, коли мікробіолог Сальвадор Лурія і біофізик Макс Дельбрюк продемонстрували експеримент, який приніс нобелівську премію науковцям, в якому мутації кишкової палички відбувалися випадково, спостереження за SOS-відповіддю у бактерій поступово змусили біологів задуматися, чи можуть у цьому правилі бути важливі відступу. Наприклад, у спірній роботі, опублікованій в Nature в 1988 році, Джон Кернс з Гарварду і його команда виявили, що коли вони помістили бактерій, які не переварювали лактозу в молочному цукрі, в середу, в якій цукор був єдиним джерелом їжі, незабаром клітини мають здатність перетворювати лактозу в енергію. Кернс стверджував, що цей результат показує, що у клітин були механізми, що дозволяють їм здійснювати вибіркові мутації, які вони знаходили корисними.

Експериментальне підтвердження цієї ідеї виявилося недостатнім, але деякі біологи надихнулися стати прихильниками більш широкої теорії адаптивної мутації. Вони вважають, що навіть якщо клітини не можуть направляти точну мутації в певних умовах, вони можуть адаптуватися, підвищуючи швидкість мутацій і сприяючи генетичним змінам.

Робота команди Хаусли, схоже, відмінно вписується в цю теорію. У дріжджового механізму «немає вибору, що стоїть перед механізмом, який говорить: я повинен мутувати цей ген, щоб вирішити проблему», говорить Патрісія Фостер, біолог з Університету Індіани. «Це показує, що еволюцію можна прискорити».

Гастінгс з Бейлора згоден з нею і відзначає той факт, що механізм Хаусли пояснює, чому додаткові мутації не відбуваються по всьому геному. «Потрібно переписати ген, щоб це сталося».

Теорія адаптивних мутацій, однак, малоприемлема для більшості біологів, і багато з них скептично ставляться до оригінальних експериментів Кернса і новим — Хаусли. Вони стверджують, що навіть якщо більш висока швидкість мутацій дозволяє адаптуватися до тиску навколишнього середовища, довести, що підвищена швидкість мутацій є сама по собі адаптацією до тиску, переконливо буде дуже важко. «Ця інтерпретація приваблива на інтуїтивному рівні», говорить Джон Рот, генетик і мікробіолог Каліфорнійського університету в Девісі, «але мені вона не здається правильною. Я не вірю, що ці приклади спричинених тиском мутацій коректні. Можуть бути й інші, не найочевидніші пояснення цього явища».

«Думаю, робота Хаусли прекрасна і підходить до суперечки про адаптивної мутації», говорить Пол Снеговски, біолог Університету Пенсільванії. «Але вона представляє лише гіпотезу». Щоб підтвердити її з упевненістю, «доведеться перевірити її так, як це роблять еволюційні біологи» — створивши теоретичну модель і визначивши, чи може ця адаптивна мутируемость розвинутися в розумний проміжок часу, а потім на певних популяціях організмів в лабораторії реалізувати цей механізм.

Незважаючи на сумніваються, Хаусли і його команда наполегливі в своїх дослідженнях і вважають їх необхідними для розуміння раку та інших біомедичних проблем. «Розвиток раку, резистентного до хіміотерапії, є звичайним явищем і є серйозною перешкодою для лікування цієї хвороби», говорить Хаусли. Він вважає, що хіміотерапія та інший тиск, який чиниться на пухлину, можуть заохочувати пухлина до подальшої мутації, включаючи вироблення опору до ліків.

«Ми активно працюємо», говорить Хаусли, «але все ще попереду».