Исследователи из Принстонского университета в ходе исследования 1000 поколений адаптации в 40 популяциях дрожжей обнаружили, что для успеха организма требуется от пяти до семи специфических мутаций, а не одна. Знание того, как мутации приводят к эволюции, может дать нам представление о том, как опухоли сопротивляются химиотерапевтическим препаратам и как бактерии развивают устойчивость к антибиотикам. Исследование было опубликовано 21 июля в журнале Nature.
Эволюция происходит, когда в геноме человека происходят спонтанные полезные мутации, улучшающие его способность адаптироваться к окружающей среде. Распространенное мнение заключалось в том, что одна мутация может повысить выживаемость особи, которая затем воспроизведет и передаст мутацию своему потомству.Вместо этого исследователи из Принстона обнаружили, что вместо одной мутации, вызывающей повышение выживаемости, требуется от пяти до семи мутаций.
Эти дополнительные мутации называют автостопщиками, потому что они не способствуют улучшению физической формы организма.«Наше исследование показывает, что эволюция — это скорее групповые усилия», — сказал Грегори Лэнг, первый автор статьи и младший научный сотрудник лаборатории Дэвида Ботстайна, профессора геномики Энтони Б. Эвнина ’62 в Льюис- Институт интегративной геномики им. Сиглера.
В состав исследовательской группы входил соавтор Дэниел Райс из Гарвардского университета, внесший ключевой вклад в биоинформатику и анализ данных; Майкл Десаи, доцент Гарвардского университета и бывший научный сотрудник Льюиса-Сиглера в Принстоне; Марк Хикман из Роуэнского университета; и Эрика Содергрен и Джордж Вайншток из Медицинской школы Вашингтонского университета.«Это открытие противоречит традиционному представлению об эволюции, определяемой отдельными мутациями, которые сами по себе обеспечивают большое преимущество в пригодности», — сказал Десаи. «Мы обнаружили, что небольшие группы — которые мы называем когортами — мутаций связаны с увеличением выживаемости.
Ни одна мутация не способствует адаптации. Вся группа, в которую входят автостопщики, вместе управляет адаптацией».По словам Ботстайна, исследование помогает расширить наше понимание того, как эволюция возникает в результате сочетания генетических мутаций, которые, как считается, происходят спонтанно, и давления окружающей среды. «Мы показали, что этот первый компонент, генетика, включает не только одну генную мутацию, но и несколько, которые должны сосуществовать, прежде чем может произойти эволюция».
Относительно небольшой набор генных мутаций, которые, как было обнаружено, увеличивают выживаемость, сказал Ботстайн, предполагает, что существует лишь ограниченное количество способов, с помощью которых организмы могут существенно повысить свою приспособленность. «Понимание основных процессов, происходящих в дрожжах, распространяется и на другие организмы», — сказал он.В исследовании изучалось, как процесс мутации и отбора разворачивается с течением времени на генетическом уровне. Чтобы посмотреть на мутации и выживаемость, исследователи наблюдали 40 различных штаммов дрожжей, которые размножались бесполым путем в течение 1000 поколений. Со временем исследователи отметили появление специфических мутаций, которые давали преимущество в выживании, позволяя некоторым колониям дрожжей процветать.
Со временем появлялись дополнительные мутации, пока исследователи не обнаружили, что все лучшие выжившие содержали одну и ту же группу из пяти-семи мутаций.Хотя исследователи называют группы мутаций содержащими водителей и автостопщиков, Десаи сказал, что проводятся дополнительные исследования, чтобы выяснить, какие мутации необходимы для адаптации, а какие ждут. Он отметил, что мутации не расположены рядом друг с другом и не имеют схожих функций.
Предыдущие данные свидетельствуют о том, что дрожжи могут испытывать полезные мутации, которые инактивируют гены, которые им больше не нужны. Например, Лэнг и Ботштейн в сотрудничестве с Эндрю Мюрреем из Гарвардского университета сообщили в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в 2009 году, что при выращивании в условиях, когда дрожжи могут воспроизводиться только бесполым путем, мутации, которые инактивируют гены белков, участвующих в половом процессе. воспроизводство увеличивает выживаемость, потому что организмы не тратят впустую метаболическую энергию, производя ненужные белки.
Команда планирует выяснить, дают ли мутации, выявленные в новом исследовании, определенные преимущества в выживании.«Наблюдая за геномными изменениями в популяциях клеток с течением времени, это исследование позволяет получить редкую картину происходящей эволюции», — сказал Стефан Маас из Национального института общих медицинских наук Национального института здравоохранения, который частично финансировал исследование. «Этот подход системной биологии дает понимание, которое может помочь нам понять, как мутации распространяются через другие развивающиеся системы, такие как раковые клетки или болезнетворные микробы».