Важнейшие гены защищены от мутаций

Согласно общепринятому мнению, эволюция обусловлена мутациями, которые случайно возникают в геноме организма, и те из них, которые делают организм лучше для выживания или размножения, затем распространяются благодаря естественному отбору. Однако новое исследование подтверждает противоположную идею о том, что процесс мутации неравномерно распределен по геному.
Работа, опубликованная 12 января в журнале Nature, обнаружила расхождение в скорости мутаций среди генов модельного растения Arabidopsis thaliana. В частности, гены, играющие решающую роль в выживании и размножении, мутируют гораздо реже, чем менее важные.

Арабидопсис - небольшое цветковое растение со сравнительно небольшим геномом, что делает его популярной системой для генетических исследований. Исследование, которое началось в Институте биологии Макса Планка(Германия) и было перенесено в Калифорнийский университет в Дэвисе, когда ведущий автор и ученый-растениевод Дж. Грей Монро получил там работу, показало, что скорость мутации внутри генов на 58 процентов ниже, чем в областях генома вокруг них. Кроме того, гены, считающиеся важными, имели на 37 процентов более низкий уровень мутаций, чем те, изменения в которых с меньшей вероятностью могут привести к катастрофическим последствиям.

"Мутации распределяются таким образом, что это, по-видимому, полезно для растения", - говорит Монро в интервью The Scientist.
"Это открытие является "частью непрерывного движения, которое происходит с тех пор, как мы начали изучать последовательность ДНК, которое опровергает идею о том, что мутации одинаково вероятны во всем геноме, и проясняет, как происходит эволюция", - объясняет Монро. Он добавляет, что его работа является первым комплексным анализом эукариотического вида, который связывает механизмы, определяющие изменчивость частоты мутаций на клеточном уровне, с выводом о том, что более важные гены кажутся защищенными от мутаций. Она также проясняет и подкрепляет результаты более ранних исследований, которые указывали на неслучайную частоту мутаций, но результаты которых были менее четкими или полученными с помощью более старых методов.

Монро и его коллеги обнаружили свидетельства специфических эпигенетических характеристик, таких как метилирование цитозина, которые предотвращают возникновение мутаций в этих регионах, что не похоже на защитные барьеры. Эти структуры и изменчивость скорости мутаций в пределах генома одного организма, говорит Монро, позволяют предположить, что "эволюция создала механизмы, которые изменили то, как работает эволюция".

Блокирование мутаций
Ученые уже почти сто лет доказывают, что мутации не происходят случайно. Монро не первый, кто показал предвзятость мутаций - предыдущие исследования включают в себя статью 2005 года в Journal of Molecular Evolution, демонстрирующую повышенную частоту мутаций вблизи теломер хромосом, публикацию 2011 года в Nature Reviews Genetics, предполагающую существование предвзятости мутаций во всем геноме человека, и обзор 2012 года в BioEssays, который предполагает, что организмы могут развивать более высокую частоту мутаций в тех областях генома, где изменения были бы наиболее выгодными. Благодаря методологическим усовершенствованиям и тщательному эпигенетическому анализу, команда Монро добавила еще один кусочек к головоломке.

Монро и его команда провели исследования линий накопления мутаций(MA), в которых организмы отделяются друг от друга и тщательно инбридируются(прим. инбридинг - близкородственное скрещивание) на протяжении нескольких поколений, а геномы всех особей секвенируются и тщательно изучаются на предмет изменений. Этот метод стал возможен с появлением и ростом доступности высокопроизводительного секвенирования генов и позволяет исследователям выявлять небольшие и редкие мутации с большей точностью и легкостью, чем предыдущие методы.
Он также минимизирует степень, в которой организмы, защищенные от хищничества и нехватки ресурсов и выведенные искусственно, подвергаются естественному отбору. По словам Лоуренса Херста, эволюционного генетика Университета Бата , который не работал над исследованием, новая работа представляет собой методологическое усовершенствование по сравнению с работой 2004 года, которая в значительной степени опиралась на моделирование, добавив, что новое исследование служит "посыпкой сверху" остального объема работ в этой области.

Основная часть исследования заключалась в том, чтобы убедиться, что исследователи наблюдают настоящую скорость мутаций - что, по словам Херста, остается сложной задачей даже при использовании лучших методов и инструментов в этой области, - а не влияние естественного отбора. Для этого команда секвенировала несколько растений Arabidopsis и их потомство в течение 8-25 поколений каждое, что позволило вырастить даже нездоровые растения. Они также включили несколько братьев и сестер из каждого поколения в свои линии MA, чтобы наблюдать эти изменения до того, как на них подействует отбор.

На фото: Arabidopsis thaliana.

Исследователи также проверили возможность того, что мутации в основных генах на самом деле не были менее распространены, а просто казались таковыми, потому что не позволяли семенам расти или формироваться в первую очередь. По словам Монро, такое "смещение в сторону выживания" ослабило бы выводы работы. Поэтому авторы исследования рассчитали мутационную предвзятость среди "молчаливых" мутаций, которые не приводят к функциональным изменениям и при синтезе новых белков кодируют ту же последовательность аминокислот, что и раньше. Эффект, как показано в статье, все еще присутствует среди молчащих мутаций, а также в некодирующих областях генов, называемых интронами, что позволяет предположить, что разная скорость мутаций "лучше всего объясняется истинной разницей в мутациях", а не отбором, говорит Монро.

Чтобы выяснить, как возникают эти различия в частоте мутаций, команда оценила обратимые эпигенетические особенности, такие как доля цитозинов, которые были метилированы - модификация, которая делает основание склонным к потере аминогруппы, превращая его в тимин - и как эта доля связана с частотой мутаций. Они также провели эксперимент ATAC-seq, который позволяет количественно определить доступность хроматина по всему геному, и обнаружили, что хроматин, который был более доступен, а не плотно намотан или связан с гистонами, имел нарушения репарации эксцизии нуклеотидов, что означает, что он не мог легко исправить поврежденную ДНК. Доступность ДНК и метилирование цитозина коррелировали с более высокой частотой мутаций, в то время как другие регионы мутировали меньше - эффект, который, как подозревает Монро, может быть защитным от вредных изменений.

Монро говорит, что главным выводом из работы является то, что она ставит под сомнение представления о случайности мутаций и направленности эволюции - вывод, который, по его словам, вызвал возражения. Между тем, ученые расходятся во мнении, почему возникло предубеждение против мутаций. Монро предполагает, что блокирование мутаций в важных генах имеет эволюционную выгоду. Но в комментарии к статье в Nature эволюционный биолог Мичиганского университета Цзяньчжи Чжан, который не работал над новым исследованием, утверждает, что преобладающей движущей силой, скорее всего, является нечто иное, чем естественный отбор. Он говорит, что результаты исследования кажутся достоверными, но гипотеза авторов о причинах возникновения мутационной предвзятости его убеждает меньше.

"Отбор на более низкий мутагенез возможен, но отбор, как ожидается, будет довольно слабым, - говорит Чжан в интервью The Scientist, - потому что снижение мутагенеза не влияет на приспособленность особи с пониженным мутагенезом; оно влияет только на приспособленность потомства этой особи".

Херст разделяет схожие взгляды, предлагая множество альтернативных гипотез. Например, он ссылается на исследование геномов раковых опухолей, опубликованное в журнале Nature Communications в 2012 году, которое показало, что порядок, в котором генетические домены реплицируются(удваиваются) во время митоза, коррелирует с частотой мутаций. Это подтвердило более раннее сообщение о более низкой частоте мутаций в ранних реплицирующихся доменах у людей, опубликованное в журнале Nature Genetics в 2009 году, объясняет Херст.

"У нас есть некоторые доказательства того, что рано реплицирующиеся гены могут быть более важными", - говорит Херст в интервью The Scientist, хотя он предполагает, что этот процесс вряд ли является селективным. Вместо этого он предполагает, что к концу процесса репликации в клетках могут просто закончиться доступные нуклеотиды, и они будут обходиться тем, что осталось, что повышает вероятность ошибок.

По мере того, как ученые продолжают совершенствовать технологии генетического скрининга и секвенирования, такие исследования, как работа Монро и его команды над эпигенетическими структурами, должны позволить, наконец, получить окончательные ответы на огромное количество вопросов без ответов, мешающих этой области. Пока же Иниго Мартинкорена, молекулярный биолог, изучающий мутации в Институте Wellcome Sanger(Великобритания) надеется, что ученые сосредоточатся на трех ключевых вопросах, которые до сих пор ускользали от внимания.

Первые два вопроса просты: эволюционировало ли смещение мутаций для защиты генома или это "просто случайность различной репарационной деятельности в разных эпигенетических регионах", - говорит он, - и каковы точные механизмы, приводящие к изменению скорости мутаций. Но Мартинкорена также говорит, что по мере того, как ученые узнают больше, возможно, придется пересмотреть ключевые допущения в генетических и эволюционных исследованиях.
По его словам, исследователям необходимо определить, "какое влияние эта вариация оказывает на наши методы изучения эволюции генома", поскольку не учет мутационной предвзятости в исследовательских экспериментах может привести к неточным моделям, которые придают чрезмерное влияние естественному отбору для объяснения появления новых признаков.

"Например, в геномике рака вариации скорости мутаций по всему геному были известны и тщательно изучались в течение последнего десятилетия, и это сыграло решающую роль в понимании происхождения мутаций в раке и помогло открыть новые гены рака", - говорит Мартинкорена, ссылаясь на исследования о происхождении мутаций в раковых опухолях. "Область эволюции отстает на несколько лет от области геномики рака в этом вопросе".