W naturze ogromna większość organizmów żywych nie odnosi sukcesu reprodukcyjnego. Zanim osiągną dojrzałość płciową, zostają zjedzone lub umierają w wyniku zimna, suszy, chorób czy w walce o ograniczone zasoby pożywienia. Przetrwać są w stanie tylko osobniki najlepiej dostosowane do środowiska. A dostosowują się za pomocą zmian w budowie i działaniu ciał, do których dochodzi w wyniku mutacji genetycznych.

Do tej pory zakładano, że powstawaniem mutacji – czyli zmian w genomie, jakie pojawiają się podczas dzielenia się komórek - rządzi przypadek. – Zawsze myślimy o mutacjach jako o wyniku przypadkowych procesów – mówi prof. Grey Monroe, główny autor pracy w „ Nature”. – Okazuje się jednak, że mutacje są bardzo nieprzypadkowe.

Mutacje DNA wcale nie są przypadkowy. Omijają najważniejsze geny

Naukowcy badali rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana), pospolity chwast. Rzodkiewnik rośnie powszechnie w Europie, Azji i Północnej Afryce. Zyskał miano „laboratoryjnego szczura wśród roślin”, bowiem jego genom jest niewielki i łatwo go badać. W genetyce jest organizmem modelowym.

W laboratoriach Instytutu Plancka badacze przez trzy lata hodowali rośliny rzodkiewnika. Były wśród nich takie, które nie przetrwałyby w naturze, w laboratorium jednak udawało się je utrzymać przy życiu. Wśród setek hodowanych roślin naukowcy naliczyli aż milion różnych mutacji genów.

Potem badacze zadali sobie trud sprawdzenia, które miejsca w genomie ulegały mutacjom. Ku ich zdziwieniu okazało się, że ich rozkład wcale nie był przypadkowy. Naukowcy zauważyli, że zmiany omijają niektóre miejsca genomu: te zawierające geny niezbędne dla wzrostu komórek i regulacji działania (ekspresji) innych genów.

– Na pierwszy rzut oka zaprzecza to teorii, że początkowo mutacje są przypadkowe, a o tym, które później utrzymują się w organizmach, decyduje dobór naturalny – mówi prof. Detlef Weigel, szef instytutu Plancka i współautor badań. Dobór naturalny sprawia, że przeżywają osobniki, których mutacje były korzystne dla przetrwania i rozmnażania się.

Na czym polega ochrona niektórych genów?

W jaki sposób pewne miejsca w DNA rzodkiewnika są szczególnie chronione przed mutacjami? Jak tłumaczy prof. Weigel, w tych obszarach wydajnie działają mechanizmy naprawy DNA, dzięki którym organizm broni się przed powstaniem zmian w genomie.

Takie mechanizmy pracują w komórkach bezustannie. Za ich dokładnie zbadanie i opisanie w 2015 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Tomas Lindahl, Paul Modrich i Aziz Sancar. Czasem jednak mechanizmy naprawy nie nadążają i w DNA powstaje mutacja.

Badacze stwierdzili też, że sposób, w jaki DNA owija się wokół histonów (białek obecnych w jądrze komórkowym), jest dobrym wskaźnikiem tego, czy dany gen ulegnie mutacji, czy nie. – To oznacza, że możemy przewidywać, które geny łatwiej ulegną mutacji – dodaje prof. Weigel.

Rośliny wybierają, które geny chronią przed mutacjami

To bardzo zaskakujący zwrot akcji w opowieści o ewolucji. W pewnym sensie rośliny wybierają, które geny chronić przed mutacjami, by zwiększyć szanse na przeżycie.

– Rośliny w toku ewolucji znalazły sposób na ochronę najważniejszych miejsc genomu przed mutacjami. To bardzo ekscytujące odkrycie. Można myśleć o tym, jak je wykorzystać, by chronić ludzkie geny przed mutacjami – dodaje prof. Weigel.

Hodowcy polegają na zmienności genetycznej – nowe odmiany są wszakże mutantami starych. Naukowcy będą mogli teraz wykorzystać nowo zdobytą wiedzę, by łatwiej hodować odmiany roślin odporne na szkodniki czy przynoszące lepsze plony.

„Nasze odkrycie daje bardziej kompletny obraz tego, jak w toku selekcji naturalnej zachodzą zmiany. Sądzimy, że zainicjuje nowe kierunki badań nad rolą mutacji w procesie ewolucji” – konkludują badacze w pracy.

W badaniach uczestniczyli także naukowcy z Uniwersytetu Stanforda, Uniwersytetu Stanowego Westfield, Uniwersytetu Montpellier, Uniwersytetu w Uppsali, Uniwersytetu Południowej Dakoty, Uniwersytetu College of Charleston oraz instytutu badawczego Carnegie Institution for Science.


Źródła: University of California Davis, Nature