Ξεπερνώντας τις πιθανότητες για τυχερές μεταλλάξεις

Το 1944, μια διδακτορική φοιτήτρια γενετικής στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια ονόματι Έβελιν Γουίτκιν έκανε ένα τυχαίο λάθος. Κατά το πρώτο της πείραμα σε ένα εργαστήριο στο Cold Spring Harbor, στη Νέα Υόρκη, ακτινοβόλησε κατά λάθος εκατομμύρια E. coli με μια θανατηφόρα δόση υπεριώδους φωτός. Όταν επέστρεψε την επόμενη μέρα για να ελέγξει τα δείγματα, ήταν όλα νεκρά - εκτός από ένα, στο οποίο τέσσερα βακτηριακά κύτταρα είχαν επιβιώσει και συνέχισαν να αναπτύσσονται. Κατά κάποιο τρόπο, αυτά τα κύτταρα ήταν ανθεκτικά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Για τη Witkin, φαινόταν σαν μια εξαιρετικά τυχερή σύμπτωση ότι οποιαδήποτε κύτταρα στην καλλιέργεια είχαν εμφανιστεί με ακριβώς τη μετάλλαξη που χρειάζονταν για να επιβιώσουν — τόσο πολύ που αμφισβήτησε αν ήταν καθόλου σύμπτωση.

Για τις επόμενες δύο δεκαετίες, ο Witkin προσπάθησε να καταλάβει πώς και γιατί εμφανίστηκαν αυτοί οι μεταλλαγμένοι. Η έρευνά της την οδήγησε σε αυτό που σήμερα είναι γνωστό ως η απόκριση SOS, έναν μηχανισμό επιδιόρθωσης DNA που χρησιμοποιούν τα βακτήρια όταν καταστρέφονται τα γονιδιώματά τους, κατά τη διάρκεια του οποίου δεκάδες γονίδια ενεργοποιούνται και ο ρυθμός μετάλλαξης αυξάνεται. Αυτές οι επιπλέον μεταλλάξεις είναι πιο συχνά επιζήμιες παρά ωφέλιμες, αλλά επιτρέπουν προσαρμογές, όπως η ανάπτυξη αντοχής στην υπεριώδη ακτινοβολία ή στα αντιβιοτικά.

Το ερώτημα που βασανίζει έκτοτε ορισμένους εξελικτικούς βιολόγους είναι αν η φύση ευνόησε αυτή τη ρύθμιση. Είναι η αύξηση των μεταλλάξεων απλώς μια δευτερεύουσα συνέπεια μιας διαδικασίας επισκευής εγγενώς επιρρεπής σε σφάλματα; Ή, όπως ισχυρίζονται ορισμένοι ερευνητές, η ίδια η αύξηση του ποσοστού μετάλλαξης είναι μια εξελιγμένη προσαρμογή, μια προσαρμογή που βοηθά τα βακτήρια να εξελίσσουν πλεονεκτικά χαρακτηριστικά πιο γρήγορα σε αγχωτικά περιβάλλοντα;

Η επιστημονική πρόκληση δεν ήταν απλώς να αποδειχθεί πειστικά ότι τα σκληρά περιβάλλοντα προκαλούν μη τυχαίες μεταλλάξεις. Έπρεπε επίσης να βρεθεί ένας εύλογος μηχανισμός σύμφωνος με την υπόλοιπη μοριακή βιολογία που θα μπορούσε να κάνει πιο πιθανές τις τυχερές μεταλλάξεις. Κύματα μελετών σε βακτήρια και πιο σύνθετους οργανισμούς αναζητούσαν αυτές τις απαντήσεις εδώ και δεκαετίες.

Η πιο πρόσφατη και ίσως η καλύτερη απάντηση - για την εξήγηση ορισμένων ειδών μεταλλάξεων, ούτως ή άλλως - προέκυψε από μελέτες της ζύμης, όπως αναφέρθηκε τον Ιούνιο στο PLOS Biology. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Jonathan Houseley, ειδικό στη μοριακή βιολογία και τη γενετική στο Ινστιτούτο Babraham στο Cambridge, πρότεινε έναν μηχανισμό που οδηγεί σε περισσότερες μεταλλάξεις ειδικά σε περιοχές του γονιδιώματος του ζυμομύκητα όπου θα μπορούσε να είναι πιο προσαρμοστικό.

«Είναι ένας εντελώς νέος τρόπος με τον οποίο το περιβάλλον μπορεί να έχει αντίκτυπο στο γονιδίωμα για να επιτρέψει την προσαρμογή ως απάντηση στην ανάγκη. Είναι μια από τις πιο κατευθυνόμενες διαδικασίες που έχουμε δει μέχρι τώρα», δήλωσε ο Philip Hastings, καθηγητής μοριακής και ανθρώπινης γενετικής στο Baylor College of Medicine, ο οποίος δεν συμμετείχε στα πειράματα της ομάδας Houseley. Άλλοι επιστήμονες που ήρθαν σε επαφή για αυτήν την ιστορία εξήραν επίσης την εργασία, αν και οι περισσότεροι προειδοποίησαν ότι πολλά σχετικά με την αμφιλεγόμενη ιδέα εξακολουθούσαν να είναι εικασιακά και χρειάζονταν περισσότερη υποστήριξη.

Αύξηση της ποικιλίας στο γονιδίωμα

«Αντί να κάνω πολύ ευρείες ερωτήσεις όπως «είναι οι μεταλλάξεις πάντα τυχαίες;» ήθελα να ακολουθήσω μια πιο μηχανιστική προσέγγιση», είπε ο Houseley. Αυτός και οι συνάδελφοί του έστρεψαν την προσοχή τους σε ένα συγκεκριμένο είδος μετάλλαξης που ονομάζεται παραλλαγή αριθμού αντιγράφων. Το DNA περιέχει συχνά πολλαπλά αντίγραφα εκτεταμένων αλληλουχιών ζευγών βάσεων ή ακόμα και ολόκληρων γονιδίων. Ο ακριβής αριθμός μπορεί να διαφέρει μεταξύ ατόμων επειδή, όταν τα κύτταρα αντιγράφουν το DNA τους πριν από την κυτταρική διαίρεση, ορισμένα λάθη μπορούν να εισάγουν ή να διαγράψουν αντίγραφα αλληλουχιών γονιδίων. Στους ανθρώπους, για παράδειγμα, το 5 έως 10 τοις εκατό του γονιδιώματος παρουσιάζει διακύμανση του αριθμού αντιγράφων από άτομο σε άτομο - και ορισμένες από αυτές τις παραλλαγές έχουν συνδεθεί με καρκίνο, διαβήτη, αυτισμό και μια σειρά από γενετικές διαταραχές. Ο Houseley υποψιάστηκε ότι σε τουλάχιστον ορισμένες περιπτώσεις, αυτή η διακύμανση στον αριθμό των αντιγράφων γονιδίων μπορεί να είναι μια απάντηση σε στρες ή κινδύνους στο περιβάλλον.

Το 2015, ο Houseley και οι συνεργάτες του περιέγραψαν έναν μηχανισμό με τον οποίο τα κύτταρα ζυμομύκητα φαινόταν να οδηγούν σε επιπλέον διακύμανση αριθμού αντιγράφων στα γονίδια που σχετίζονται με τα ριβοσώματα, τα μέρη ενός κυττάρου που συνθέτουν πρωτεΐνες. Ωστόσο, δεν απέδειξαν ότι αυτή η αύξηση ήταν μια σκόπιμα προσαρμοστική απόκριση σε μια αλλαγή ή περιορισμό στο κυτταρικό περιβάλλον. Ωστόσο, τους φαινόταν ότι η μαγιά δημιουργούσε περισσότερα αντίγραφα των ριβοσωμικών γονιδίων όταν τα θρεπτικά συστατικά ήταν άφθονα και η ζήτηση για παραγωγή πρωτεΐνης μπορεί να ήταν μεγαλύτερη.

Ως εκ τούτου, ο Houseley αποφάσισε να ελέγξει εάν παρόμοιοι μηχανισμοί θα μπορούσαν να δράσουν σε γονίδια που ενεργοποιούνται πιο άμεσα από επικίνδυνες αλλαγές στο περιβάλλον. Στην εργασία τους για το 2017, αυτός και η ομάδα του εστίασαν στο CUP1 , ένα γονίδιο που βοηθά τη ζύμη να αντισταθεί στις τοξικές επιδράσεις του περιβαλλοντικού χαλκού. Βρήκαν ότι όταν η μαγιά εκτέθηκε στον χαλκό, η διακύμανση στον αριθμό των αντιγράφων του CUP1 στα κύτταρα αυξήθηκε. Κατά μέσο όρο, τα περισσότερα κύτταρα είχαν λιγότερα αντίγραφα του γονιδίου, αλλά τα κύτταρα ζύμης που απέκτησαν περισσότερα αντίγραφα - περίπου το 10 τοις εκατό του συνολικού πληθυσμού - έγιναν πιο ανθεκτικά στον χαλκό και άκμασαν. "Ο μικρός αριθμός κυττάρων που έκαναν το σωστό", είπε ο Houseley, "είχαν τόσο πλεονέκτημα που ήταν σε θέση να ξεπεράσουν όλα τα άλλα."

Αλλά αυτή η αλλαγή από μόνη της δεν σήμαινε πολλά:Εάν ο περιβαλλοντικός χαλκός προκαλούσε μεταλλάξεις, τότε η αλλαγή στο CUP1 Η διακύμανση του αριθμού αντιγράφων μπορεί να ήταν απλώς μια ανούσια συνέπεια του υψηλότερου ποσοστού μετάλλαξης. Για να αποκλείσουν αυτή την πιθανότητα, οι ερευνητές ανασχεδίασαν έξυπνα το CUP1 γονίδιο έτσι ώστε να ανταποκρίνεται σε ένα αβλαβές, μη μεταλλαξιογόνο σάκχαρο, τη γαλακτόζη, αντί για χαλκό. Όταν αυτά τα αλλοιωμένα κύτταρα ζυμομύκητα εκτέθηκαν στη γαλακτόζη, άλλαξε και η διακύμανση στον αριθμό των αντιγράφων του γονιδίου.

Τα κύτταρα φαινόταν να κατευθύνουν μεγαλύτερη διαφοροποίηση στην ακριβή θέση στο γονιδίωμά τους όπου θα ήταν χρήσιμο. Μετά από περισσότερη δουλειά, οι ερευνητές εντόπισαν στοιχεία του βιολογικού μηχανισμού πίσω από αυτό το φαινόμενο. Ήταν ήδη γνωστό ότι όταν τα κύτταρα αντιγράφουν το DNA τους, ο μηχανισμός αντιγραφής μερικές φορές σταματά. Συνήθως ο μηχανισμός μπορεί να επανεκκινήσει και να συνεχίσει από εκεί που σταμάτησε. Όταν δεν μπορεί, το κύτταρο μπορεί να επιστρέψει στην αρχή της διαδικασίας αντιγραφής, αλλά με αυτόν τον τρόπο, μερικές φορές διαγράφει κατά λάθος μια ακολουθία γονιδίων ή δημιουργεί επιπλέον αντίγραφά της. Αυτό είναι που προκαλεί την κανονική διακύμανση του αριθμού αντιγράφων. Ωστόσο, ο Houseley και η ομάδα του υποστήριξαν ότι ένας συνδυασμός παραγόντων καθιστά αυτά τα σφάλματα αντιγραφής ιδιαίτερα πιθανό να χτυπήσουν γονίδια που ανταποκρίνονται ενεργά στις περιβαλλοντικές πιέσεις, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πιο πιθανό να εμφανίζουν παραλλαγή αριθμού αντιγράφων.

Το βασικό σημείο είναι ότι αυτές οι επιδράσεις επικεντρώνονται στα γονίδια που ανταποκρίνονται στο περιβάλλον και ότι θα μπορούσαν να δώσουν στη φυσική επιλογή πρόσθετες ευκαιρίες για να τελειοποιήσει ποια επίπεδα γονιδιακής έκφρασης θα μπορούσαν να είναι βέλτιστα έναντι ορισμένων προκλήσεων. Τα αποτελέσματα φαίνεται να παρουσιάζουν πειραματικές ενδείξεις ότι ένα δύσκολο περιβάλλον θα μπορούσε να γαλβανίσει τα κύτταρα στον έλεγχο αυτών των γενετικών αλλαγών που θα βελτίωναν καλύτερα την καταλληλότητά τους. Μπορεί επίσης να θυμίζουν τις ξεπερασμένες, προ-Δαρβινικές ιδέες του Γάλλου φυσιοδίφη Jean-Baptiste Lamarck, ο οποίος πίστευε ότι οι οργανισμοί εξελίχθηκαν μεταδίδοντας τα περιβαλλοντικά επίκτητα χαρακτηριστικά τους στους απογόνους τους. Ο Houseley υποστηρίζει, ωστόσο, ότι αυτή η ομοιότητα είναι μόνο επιφανειακή.

«Αυτό που ορίσαμε είναι ένας μηχανισμός που έχει προκύψει εξ ολοκλήρου μέσω της Δαρβινικής επιλογής τυχαίων μεταλλάξεων για να δώσει μια διαδικασία που διεγείρει μη τυχαίες μεταλλάξεις σε χρήσιμες τοποθεσίες», είπε ο Houseley. «Δεν είναι λαμαρκική προσαρμογή. Απλώς πετυχαίνει μερικούς από τους ίδιους στόχους χωρίς τα προβλήματα που σχετίζονται με τη Λαμαρκική προσαρμογή.»

Η συζήτηση για την προσαρμοστική μετάλλαξη

Από το 1943, όταν ο μικροβιολόγος Σαλβαδόρ Λούρια και ο βιοφυσικός Μαξ Ντελμπρούκ έδειξαν με τα βραβευμένα με Νόμπελ πειράματα ότι οι μεταλλάξεις στο E. coli συμβαίνουν τυχαία, παρατηρήσεις όπως η βακτηριακή απόκριση SOS έχουν κάνει ορισμένους βιολόγους να αναρωτηθούν αν υπάρχουν σημαντικά κενά σε αυτόν τον κανόνα. Για παράδειγμα, σε μια αμφιλεγόμενη εργασία που δημοσιεύτηκε στο Nature Το 1988, ο John Cairns του Χάρβαρντ και η ομάδα του ανακάλυψαν ότι όταν τοποθέτησαν βακτήρια που δεν μπορούσαν να αφομοιώσουν τη λακτόζη του σακχάρου του γάλακτος σε ένα περιβάλλον όπου αυτή η ζάχαρη ήταν η μοναδική πηγή τροφής, σύντομα τα κύτταρα εξέλιξαν την ικανότητα να μετατρέπουν τη λακτόζη σε ενέργεια. Ο Cairns υποστήριξε ότι αυτό το αποτέλεσμα έδειξε ότι τα κύτταρα είχαν μηχανισμούς για να κάνουν ορισμένες μεταλλάξεις κατά προτίμηση όταν θα ήταν ωφέλιμες.

Η πειραματική υποστήριξη για τη συγκεκριμένη ιδέα τελικά αποδείχθηκε ότι έλειπε, αλλά ορισμένοι βιολόγοι εμπνεύστηκαν να γίνουν υποστηρικτές μιας ευρύτερης θεωρίας που έγινε γνωστή ως προσαρμοστική μετάλλαξη. Πιστεύουν ότι ακόμη και αν τα κύτταρα δεν μπορούν να κατευθύνουν την ακριβή μετάλλαξη που απαιτείται σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, μπορούν να προσαρμοστούν αυξάνοντας το ποσοστό μετάλλαξης για να προωθήσουν τη γενετική αλλαγή.

Η δουλειά της ομάδας Houseley φαίνεται να ενισχύει την υπόθεση για αυτή τη θέση. Στον μηχανισμό του ζυμομύκητα «δεν υπάρχει επιλογή για έναν μηχανισμό που στην πραγματικότητα λέει:«Αυτό είναι το γονίδιο που πρέπει να μεταλλάξω για να λύσω το πρόβλημα», δήλωσε η Πατρίσια Φόστερ, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα. "Δείχνει ότι η εξέλιξη μπορεί να επιταχυνθεί."

Ο Hastings στο Baylor συμφώνησε και επαίνεσε το γεγονός ότι ο μηχανισμός του Houseley εξηγεί γιατί οι επιπλέον μεταλλάξεις δεν συμβαίνουν σε όλο το γονιδίωμα. "Πρέπει να μεταγράψετε ένα γονίδιο για να συμβεί αυτό", είπε.

Η θεωρία της προσαρμοστικής μετάλλαξης, ωστόσο, βρίσκει μικρή αποδοχή μεταξύ των περισσότερων βιολόγων, και πολλοί από αυτούς βλέπουν τα αρχικά πειράματα του Cairns και τα νέα του Houseley με σκεπτικισμό. Υποστηρίζουν ότι ακόμη και αν τα υψηλότερα ποσοστά μετάλλαξης αποδίδουν προσαρμογές στο περιβαλλοντικό στρες, η απόδειξη ότι τα υψηλότερα ποσοστά μετάλλαξης είναι τα ίδια μια προσαρμογή στο στρες παραμένει δύσκολο να αποδειχθεί πειστικά. «Η ερμηνεία είναι διαισθητικά ελκυστική», είπε ο John Roth, γενετιστής και μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, «αλλά δεν νομίζω ότι είναι σωστή. Δεν πιστεύω ότι κανένα από αυτά τα παραδείγματα μεταλλαξογένεσης που προκαλείται από το στρες είναι σωστό. Μπορεί να υπάρχει κάποια άλλη μη προφανής εξήγηση για το φαινόμενο.»

«Νομίζω ότι [το έργο του Χάουζελι] είναι όμορφο και σχετικό με τη συζήτηση για την προσαρμοστική μετάλλαξη», δήλωσε ο Πολ Σνιεγκόφσκι, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. «Αλλά στο τέλος, εξακολουθεί να αντιπροσωπεύει μια υπόθεση». Για να το επικυρώσουν με μεγαλύτερη βεβαιότητα, πρόσθεσε, «θα έπρεπε να το δοκιμάσουν με τον τρόπο που θα έκανε ένας εξελικτικός βιολόγος» — δημιουργώντας ένα θεωρητικό μοντέλο και προσδιορίζοντας εάν αυτή η προσαρμοστική μεταβλητότητα θα μπορούσε να εξελιχθεί μέσα σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια προκαλώντας πληθυσμούς οργανισμών στο εργαστήριο για να εξελίξουν έναν μηχανισμό σαν αυτόν.

Παρά τους αμφισβητούμενους, ο Houseley και η ομάδα του επιμένουν στην έρευνά τους για να κατανοήσουν τη σχέση της με τον καρκίνο και άλλα βιοϊατρικά προβλήματα. «Η εμφάνιση καρκίνων ανθεκτικών στη χημειοθεραπεία είναι συνηθισμένη και αποτελεί σημαντικό εμπόδιο για τη θεραπεία της νόσου», είπε ο Houseley. Πιστεύει ότι τα φάρμακα χημειοθεραπείας και άλλες πιέσεις στους όγκους μπορεί να ενθαρρύνουν τα κακοήθη κύτταρα να μεταλλαχθούν περαιτέρω, συμπεριλαμβανομένων των μεταλλάξεων για αντίσταση στα φάρμακα. Εάν αυτή η αντίσταση διευκολύνεται από το είδος του μηχανισμού που εξερεύνησε στην εργασία του για τη μαγιά, θα μπορούσε κάλλιστα να παρουσιάσει έναν νέο στόχο φαρμάκου. Οι καρκινοπαθείς μπορεί να υποβληθούν σε θεραπεία τόσο με κανονικούς κύκλους χημειοθεραπείας όσο και με παράγοντες που θα αναστέλλουν τις βιοχημικές τροποποιήσεις που καθιστούν δυνατές τις μεταλλάξεις αντίστασης.

«Δουλεύουμε ενεργά σε αυτό», είπε ο Χάουζλι, «αλλά είναι ακόμα στις πρώτες μέρες».