Можно ли повысить шансы на удачную мутацию?

В 1944 году аспирант-генетик Колумбийского университета Эвелин Виткин совершила случайную ошибку. Во время своего первого эксперимента в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке она случайно облучила миллионы кишечных палочек смертельной дозой ультрафиолетового света. Вернувшись на следующий день, чтобы проверить образцы, она обнаружила, что все они мертвы. Кроме одного, в котором четыре бактериальных клетки выжили и продолжили рост. Каким-то образом эти клетки смогли справиться с ультрафиолетовым облучением. Для Виткин стало удачным совпадением и то, что все клетки этой культуры обзавелись именно той мутацией, которая помогла им выжить — настолько удачным, что она сомневалась, было ли это совпадением вообще.

На протяжении следующих двадцати лет Виткин пыталась понять, как и почему появились эти мутанты. Ее исследования привели к так называемому SOS-ответу, механизму восстановления ДНК, который используют бактерии, когда их геномы оказываются повреждены; во время этого восстановления десятки генов становятся активными, и скорость мутации повышается. Эти мутации чаще всего вредны, нежели полезны, но они позволяют адаптироваться, например, к ультрафиолетовому свету или антибиотикам.

С тех пор некоторых эволюционных биологов мучил вопрос: поддерживает ли природа такой порядок? Является ли всплеск мутаций лишь вторичным следствием процесса восстановления, по своей сути подверженного ошибкам? Или, как утверждают некоторые исследователи, увеличение скорости мутации — это эволюционная адаптация, которая помогает бактериям быстрее развиваться в стрессовых условиях?

Научная задача состоит не только в том, чтобы убедительно продемонстрировать, что суровая среда вызывает неслучайные мутации. А также в том, чтобы найти рабочий механизм, совместимый с остальной молекулярной биологией, который мог бы сделать удачные мутации более вероятными. Различные волны исследований бактерий и более сложных организмов пытались найти ответы на эти вопросы десятилетиями.

Последний и, возможно, лучший ответ — объясняющий некоторые виды мутаций, во всяком случае — появился из исследований дрожжей, как сообщалось в июне в PLOS Biology. Группа ученых во главе с Джонатаном Хаусли, специалистом по молекулярной биологии и генетике в Институте Бабрахама в Кембридже, предложила механизм, который вызывает больше мутаций генома дрожжей в тех регионах, в которых может стать наиболее адаптивным.

«Это совершенно новый способ, с помощью которого окружающая среда может влиять на геном и позволять адаптироваться при необходимости. Это один из самых направленных процессов, которые мы видели», говорит Филипп Гастингс, профессор молекулярной и человеческой генетики в Медицинском колледже Бейлора, не принимавший участия в экспериментах группы Хаусли. Другие ученые поддержали эту работу, но с оговоркой, что спорные идеи требуют большей поддержки фактами.

Увеличение разнообразия в геноме

«Вместо того чтобы задавать очень широкий вопрос по типу «всегда ли случайны мутации?», я решил прибегнуть к более механистическому подходу», говорит Хаусли. Он и его коллеги обратили внимание на особенный вид мутации под названием вариации числа копий. ДНК зачастую содержит множество копий расширенных последовательностей пар оснований или даже целых генов. Точное число может варьироваться от индивида к индивиду, потому что когда клетки делят свою ДНК до разделения клеток, ошибочно могут вставляться или удаляться копии последовательностей генов. У людей, например, 5-10% генома демонстрируют вариации числа копий от человека к человеку — и иногда эти вариации связывают с раком, диабетом, аутизмом и множеством генетических нарушений. Хаусли подозревает, что по крайней мере в некоторых случаях эта вариация в числе генов может быть ответом на стрессы или опасности в окружающей среде.

В 2015 году Хаусли и его коллеги описали механизм, благодаря которому дрожжевые клетки, похоже, получали дополнительные вариации числа копий в генах, связанных с рибосомами, частями клетки, которая синтезирует белки. Однако они не доказали, что это увеличение было целенаправленным адаптивным ответом на изменение или ограничение в клеточной среде. Тем не менее им показалось, что дрожжи делают больше копий рибосомных генов, когда питательных веществ в изобилии, а потребность в получении белка может быть выше.

Поэтому Хаусли решил проверить, будут ли подобные механизмы напрямую влиять на гены, активируясь опасными изменениями окружающей среды. В своей работе 2017 года вместе с командой он сосредоточился на CUP1, гене, который помогает дрожжам противостоять токсичным воздействиям меди. Они выяснили, что когда дрожжи подвергаются воздействию меди, вариации числа копий CUP1 в клетках растут. В среднем в большинстве клеток меньше копий этого гена, но дрожжевые клетки приобрели больше — примерно в 10% от общей популяции — и стали резистентными к меди, благодаря чему начали процветать. «Небольшое число клеток, которые сделали все правильно, оказались в таком преимуществе, что смогли превзойти все остальные».

Но это изменение само по себе не означало много: если медь в окружающей среде вызывала мутации, то изменение вариации числа копий CUP1 могло быть не более чем последствием более высокой скорости мутации. Чтобы исключить эту возможность, исследователи хитро переработали ген CUP1, чтобы он реагировал на безвредный, не мутагенный сахар, галактозу, вместо меди. Когда измененные дрожжевые клетки подвергались воздействию галактозы, вариация числа копий тоже менялась.

Клетки, похоже, направляли больше вариаций в нужное место в геноме, где те были бы полезны. Проведя дополнительные работы, ученые идентифицировали элементы биологического механизма, стоящего за этим явлением. Было известно, что когда клетки реплицируют свою ДНК, механизм репликации иногда останавливается. Обычно механизм может перезапуститься и продолжить работу на том месте, где остановился. Когда же он не может, клетка возвращается в начало репликации, но при этом иногда случайно удаляет последовательность генов либо делает дополнительные ее копии. Это приводит к обычной вариации числа копий. Но Хаусли и его команда пришли к выводу, что комбинация факторов приводит к тому, что эти ошибки копирования вероятнее всего поражают гены, которые активно отвечают на стрессы со стороны окружающей среды, а значит и вероятнее всего демонстрируют вариацию числа копий.

Ключевое здесь то, что эти эффекты сосредоточены на генах, реагирующих на окружающую среду, и что они могут дать естественному отбору дополнительные возможности для тонкой настройки уровней экспрессии генов, которые будут оптимальными в отношении определенных проблем. Результаты, как представляется, являют экспериментальные данные о том, что сложная среда может стимулировать клетки к контролю этих генетических изменений, которые максимально улучшат их форму. Они также могут напоминать устаревшие додарвинские идеи французского натуралиста Жана-Баптиста Ламарка, который считал, что организмы эволюционируют при передаче приобретенных в окружающей среде характеристик своему потомству. Хаусли же утверждает, что это сходство лишь поверхностное.

«Мы определили механизм, который возник целиком в процессе дарвиновской селекции случайных мутаций и который стимулирует неслучайные мутации в полезных местах», говорит Хаусли. «Это не ламарковская адаптация. Все это просто приводит к одному и тому же, но без проблем, связанных с ламарковской адаптацией».

Адаптивная мутация и споры

С 1943 года, когда микробиолог Сальвадор Лурия и биофизик Макс Дельбрюк продемонстрировали эксперимент, принесший нобелевскую премию ученым, в котором мутации кишечной палочки происходили случайно, наблюдения за SOS-ответом у бактерий постепенно заставили биологов задуматься, могут ли в этом правиле быть важные отступления. Например, в спорной работе, опубликованной в Nature в 1988 году, Джон Кэрнс из Гарварда и его команда обнаружили, что когда они поместили бактерий, которые не переваривали лактозу в молочном сахаре, в среду, в которой сахар был единственным источником пищи, вскоре клетки обзавелись способностью преобразовывать лактозу в энергию. Кэрнс утверждал, что этот результат показывает, что у клеток были механизмы, позволяющие им производить выборочные мутации, которые они находили полезными.

Экспериментальное подтверждение этой идеи оказалось недостаточным, но некоторые биологи вдохновились стать сторонниками более широкой теории адаптивной мутации. Они считают, что даже если клетки не могут направлять точную мутацию в определенных условиях, они могут адаптироваться, повышая скорость мутаций и способствуя генетическим изменениям.

Работа команды Хаусли, похоже, отлично вписывается в эту теорию. У дрожжевого механизма «нет выбора, стоящего перед механизмом, который гласит: я должен мутировать этот ген, чтобы решить проблему», говорит Патрисия Фостер, биолог из Университета Индианы. «Это показывает, что эволюцию можно ускорить».

Гастингс из Бэйлора согласен с ней и отмечает тот факт, что механизм Хаусли объясняет, почему дополнительные мутации не происходят по всему геному. «Нужно переписать ген, чтобы это произошло».

Теория адаптивных мутаций, однако, малоприемлема для большинства биологов, и многие из них скептически относятся к оригинальным экспериментам Кэрнса и новым — Хаусли. Они утверждают, что даже если более высокая скорость мутаций позволяет адаптироваться к давлению окружающей среды, доказать, что повышенная скорость мутаций является сама по себе адаптацией к давлению, убедительно будет очень трудно. «Эта интерпретация привлекательна на интуитивном уровне», говорит Джон Рот, генетик и микробиолог Калифорнийского университета в Дэвисе, «но мне она не кажется правильной. Я не верю, что эти примеры вызванных давлением мутаций корректны. Могут быть и другие, не самые очевидные объяснения этого явления».

«Думаю, работа Хаусли прекрасна и подходит к спору об адаптивной мутации», говорит Пол Снеговски, биолог Университета Пенсильвании. «Но она представляет лишь гипотезу». Чтобы подтвердить ее с уверенностью, «придется проверить ее так, как это делают эволюционные биологи» — создав теоретическую модель и определив, может ли эта адаптивная мутируемость развиться в разумный промежуток времени, а затем на определенных популяциях организмов в лаборатории реализовать этот механизм.

Несмотря на сомневающихся, Хаусли и его команда настойчивы в своих исследованиях и считают их необходимыми для понимания рака и других биомедицинских проблем. «Развитие рака, резистентного к химиотерапии, является обычным явлением и является серьезным препятствием для лечения этой болезни», говорит Хаусли. Он считает, что химиотерапия и другое давление, оказываемое на опухоль, могут поощрять опухоль к дальнейшей мутации, включая выработку сопротивления к лекарствам.

«Мы активно работаем», говорит Хаусли, «но все еще впереди».

По материалам Quanta