Apsaugoti genai: prie evoliucijos vairo

"Gamtą valdo atsitiktinumas, yra biologijos dogma. Vokietijos augalų genetikai dabar įrodė, kad mutacijos genome nesikaupia nekontroliuojamai, o organizmas tikslingai saugo kai kuriuos genus.

 

Nuo pat Charleso Darwino laikų evoliucinė biologija pagerbė atsitiktinumą ir formuluoja tokius sakinius, kaip: „Evoliucija nieko nenori, nieko neplanuoja ir neturi tikslo“. Mutacijos – pagal vieną iš svarbiausių dogmų – atsiranda atsitiktinai ir nesirūpina jų sukeliamomis pasekmėmis. Tik jų priešininkė – natūrali atranka – nusprendžia, kurie genai keičiasi greičiau, o kurie lėčiau. Todėl tokios kategorijos, kaip atsitiktinumas ir bekryptiškumas laikomos pagrindinėmis evoliucinio biologinio mąstymo prielaidomis. Šį mąstymą sutvirtino 1969 m. Nobelio medicinos premija, skirta Salvadorui Luriai ir Maxui Delbrückui. Prieš dvidešimt šešerius metus mokslininkai įrodė, kad bakterijų populiacijose visada yra ir bakterijų, kurios jau yra atsparios virusams, su kuriais tos bakterijų populiacijos dar nebuvo susidūrusios. Todėl mutacijos, tarpininkaujančios atsparumui, turėjo atsirasti be šių virusų pagalbos – tiesiog atsitiktinai ir netyčia.

 

Detlefo Weigelio, Grey Monroe ir kitų kolegų publikacija žurnale „Nature“ dabar pakerta šias pagrindines prielaidas. Weigelis yra Maxo Plancko biologijos instituto Tiubingene direktorius ir Monroe profesorius Kalifornijos universitete Davise. 

 

Mokslininkai sugebėjo parodyti, kad piktžolės Arabidopsis thaliana, vieno iš svarbiausių mokslinio modelio augalų, genomo mutacijos jokiu būdu nėra taip atsitiktinai paskirstytos visame genome, kaip manyta anksčiau. Greičiau genetiniai pokyčiai kai kur vyksta dažniau, o kitur – rečiau. Mutacijų dažnis koreliuoja su genų svarba augalo gebėjimui išgyventi ir daugintis. Mutacijų greitis yra mažesnis ten, kur yra esminiai piktžolės genai, ir didesnis regionuose, kuriuose yra mažiau esminių genų.

 

Mutacijos taip pat nevienodai pasiskirsto vadinamuosiuose koduojančiuose ir nekoduojančiuose geno regionuose. 

 

Koduojančios DNR sekos, t. y. tos, kurios yra tiesiogiai atsakingos už baltymo sintezę, buvo mutuojamos tik perpus dažniau, nei nekoduojančios sekcijos, esančios prieš ir po atitinkamų genų.

 

 Esminiai genai parodė net dviem trečdaliais mažiau mutacijų, nei neesminiai genai. 

 

„Atrodo, tarsi evoliucija būtų žaidžiama su pakrautais kauliukais“, – sako Weigelis. „Augalai akivaizdžiai sukūrė būdą, kaip apsaugoti svarbiausius savo genus nuo mutacijų, kad jie galėtų geriau išgyventi. Tai visiškai naujas požiūris į tai, kaip atsiranda mutacijos ir kaip veikia evoliucija.

 

Kuo pagrįstos šios išvados? Weigelis ir jo kolegos atliko vadinamuosius mutacijų kaupimo eksperimentus su šimtais Arabidopsis augalų, kurių metu natūrali atranka buvo beveik visiškai pašalinta, ir ištyrė daugiau, nei milijoną naujai atsiradusių mutacijų. Pašalinus natūralią atranką, mokslininkai sugebėjo išanalizuoti visas mutacijas, įskaitant kenksmingąsias, kurios paprastai greitai išnyksta, veikiant atrankos spaudimui. Šis žygdarbis buvo įmanomas tik todėl, kad Arabidopsis turi palyginti nedidelį genomą su 120 milijonų bazinių porų. Kaip atsiranda netolygus mutacijų pasiskirstymas piktžolių genome?

 

Devyniasdešimt procentų dispersijos gali būti paaiškinta skirtingais epigenetiniais ženklais ir skirtumais DNR pakavimo baltymuose. Šie genomo pokyčiai – taip sakant apsauginiai dangteliai – lemia, kiek atvira ir prieinama genetinė medžiaga yra jos įtakos sferoje, taigi, kaip gerai DNR gali būti atkurta, įvykus mutacijai, nes remonto fermentai negali atlikti savo darbus be tiesioginės prieigos prie DNR grandinės. 

 

„Svarbiausia mūsų išvada yra ta, kad akivaizdu, kad ląstelėje yra genų klasė, kuri yra pažymėta kitaip, nei kiti genai ir kurie dėl šių ženklų yra ypač gerai ir efektyviai pataisomi“, - sako Weigelis. – Tai mus nustebino.

 

Kas išlaiko Arabidopsis labiau subalansuotą – netolygus mutacijų pasiskirstymas ir efektyvus esminių genų taisymas, ar neigiama arba gryninanti atranka, pašalinanti kenksmingas ir žalingas genų versijas? 

 

Weigelis ir jo kolegos sugebėjo parodyti, kad evoliucijai (bent jau Arabidopsis) daugiau įtakos turi efektyvus esminių genų taisymas, o mažiau – gryninimo atranka. Kadangi esminiai piktžolės genai toleruoja nedidelį kintamumą, augalas akivaizdžiai nelaukia, kad atranka pašalintų pažeistą alelį, bet iš karto ir tiksliai ištaiso klaidą.

 

Augalų veisimo galimybės

 

„Nepaisant to, esminiai genai, laikui bėgant, taip pat keičiasi, – sako Weigelis, – nors ir lėčiau, nei kitos genomo dalys.“ Regionai, kuriuose yra mažiau svarbių genų, toleruoja didesnį kintamumą. Čia atrankai suteikiama daugiau galimybių pasirinkti naujus ir naudingus variantus. Rezultatai yra nuostabūs keliais aspektais. Viena vertus, jie pakeičia evoliucinės biologijos jėgų, slypinčių natūralų kitimą, vaizdą. Kita vertus, jie turi ir labai praktinių pasekmių.

 

Jei Arabidopsis apsaugo savo svarbiausius genus nuo mutacijų specialiais genomo ir baltymų žymenimis, žmogaus genomas taip pat gali būti geriau apsaugotas, pavyzdžiui, nuo mutacijų, sukeliančių vėžį.

 

 Tačiau augalų selekcija taip pat gali būti naudinga. Jei žinote, kurie genomo regionai yra ypač jautrūs mutacijoms, o kurie mažiau, natūralią variaciją galima geriau kontroliuoti. Bet kuriuo atveju atsitiktinumas nėra vienintelis evoliucijos variklis."