Российские и зарубежные ученые впервые проследили за появлением большого числа вредных мутаций в ДНК людей и мушек-дрозофил и раскрыли механизм, препятствующий быстрому их накоплению в геноме, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

"Мы давно думаем над тем, как человечеству удается справляться с большим количеством мутаций. Каждый новорожденный имеет около 70 мутаций, отсутствующих у его родителей. По текущим оценкам, как минимум 10% будут вредными и будут постепенно накапливаться в геноме. Если бы это было бы так, то человечества в его текущих размерах не существовало бы, что порождает парадокс", — пишут Алексей Кондрашов из  МГУ имени М.В. Ломоносова и его коллеги.

Как рассказывают исследователи, эволюционисты уже несколько десятилетий спорят о том, как работает так называемый "отрицательный естественный отбор" – очистка популяции от вредных мутаций и связанная с ней защита от попадания в эволюционную "яму", тупик развития.

Проблема заключается в том, что не все вредные мутации ведут к смерти зародыша или резкому понижению жизнеспособности организма, и их накопление в геноме того или иного вида может постепенно привести к тому, что он станет неконкурентоспособным. Этого, однако, в большинстве случаев не происходит, что ставит перед учеными вопрос – что помогает естественному отбору "вычищать" такие мутации из генома?

Как рассказывает Кондрашов и его коллеги из Института проблем передачи информации РАН, Сколтеха и зарубежных научных центров, сегодня существует две точки зрения на счет того, как вредные мутации влияют на жизнеспособность их обладателя.

Сторонники первой считают, что каждая мутация вносит свой независимый "вклад" в гибель вида, и каждая из них уменьшает приспособленность на одинаковое относительное значение, постепенно понижая шансы на продолжение рода. Вторая теория говорит о том, что каждая новая вредная мутация наносит значительно больше ущерба, чем предыдущая. Подобная взаимосвязь, которую ученые называют эпистазом, приводит к тому, что индивидуумы, несущие слишком много вредных мутаций, крайне редко оставляют потомство.

Российские биологи и их зарубежные коллеги проверили, какая из этих двух теорий верна, изучив наборы мутаций в ДНК нескольких групп людей, участвовавших в масштабных проектах по секвенированию ДНК в Нидерландах и странах Восточной Азии и Африки, а также мушек-дрозофил, которых другие ученые выращивали в своих лабораториях.

В этих наблюдениях они опирались на простую математическую закономерность – если теория равного вклада верна, то число потомства, оставляемого мушками и людьми, должно плавно понижаться по мере накопления мутаций. Если же для эволюции дрозофил и человека характерен эпистаз, то тогда такие изменения будут нелинейными.

Оказалось, что появление новых вредных мутаций и в геномах мушек, и в ДНК человека влияло на их жизнеспособность больше, чем предыдущие негативные изменения в структуре генов. Как поясняют ученые, это хорошо объясняет то,  почему мы до сих пор не вымерли – негативные мутации усиливают действие друг друга и их накопление резко снижает шансы на то, что их носители продолжат род и распространят свои мутировавшие гены по популяции.

Источник: РИА Новости

Одна мутация в гене, управляющем ростом костных и зубных тканей, появившаяся в геноме предков китов и дельфинов примерно 30 миллионов лет назад, лишила их резцов, клыков и моляров и сделала их зубы похожими на примитивную "пилу", заявляют ученые в статье, опубликованной в журнале PeerJ.

Серый кит. Фото: Владимир Вертянкин / Кроноцкий заповедник"Нам было очень интересно найти генетическое изменение, которое столь сильно изменило то, как питались морские млекопитающие, и затем проследить за его эволюцией на примере окаменелостей. Простейший "сдвиг" в активности белков в разных частях челюсти, породивший примитивные зубы дельфинов, может помочь нам понять, как появились сложные зубы млекопитающих", — заявил Брук Армфилд (Brooke Armfield) из университета Флориды в Гейнсвилле (США).

Армфилд и его коллеги пришли к такому выводу, изучая активность генов в формирующихся зубах в зародышах пятнистых продельфинов (Stenella attenuata), а также обычных свиней, генетически близких к китообразным. Ученые заметили, что развитием зубов свиньи управляют два ключевых гена — BMP4 и FGF8.

Как выяснили исследователи, первый участок отвечает за формирование резцов и клыков, а FGF8 — ростом моляров и премоляров. Поэтому активность BMP4 и связанных с ним белков наиболее высока в передней части челюсти, а второго гена — в ее внутренней половине. В случае с дельфинами данная картина нарушается — ген BMP4 активен во всех клетках будущей челюсти, а не только в районе резцов и клыков. Благодаря этому зубы дельфинов и китов напоминают примитивную "пилу", не похожую на жевательный "арсенал" остальных млекопитающих.

Судя по окаменелостям, предки китообразных приобрели эту мутацию примерно 30 миллионов лет назад, через 18 миллионов лет после появления амбулоцетуса (Ambulocetus natans) и других примитивных китов. Ученые связывают ее появление с переходом на новый тип пищи, для поедания которой не требовались клыки, моляры и другие специализированные зубы.

Источник: РИА Новости

ДНК способна существовать во множестве форм. Например, могут изменяться параметры двойной спирали, она может становиться более сжатой или более вытянутой, сама спираль — быть как право-, так и левозакрученной, а взаимодействия между нуклеотидами могут весьма отличаться от тех, что постулировали классики Уотсон и Крик.

Квадруплексная ДНК в поперечном разрезе, а также фотографии клеток и хромосомы с антителами, связавшимися с четверной спиралью ДНК (фото авторов работы)Многие из альтернативных форм ДНК существуют в живой клетке и нужны ей для каких-то целей. Но есть и такие, которые, казалось бы, вполне могли найти себя в клетке, да только обнаружить их никак не получается. Долгое время такой формой были G-квадруплексы — участки ДНК, состоящие из четырёх цепей. Такая структура может возникать на обогащённых гуанином участках, и учёным даже удалось получить искусственным путём и охарактеризовать параметры такой четверной спирали. Но есть ли G-квадруплексы в живой клетке? В клеточной ДНК можно найти фрагменты с повышенным содержанием гуанина, однако таких структур исследователи там не нашли.

А вот учёным из Кембриджского университета (Великобритания) повезло. Они создали антитела, которые взаимодействовали только с четырёхнитевыми участками ДНК, а не с обычными двунитевыми. Эти антитела добавлялись к человеческим клеткам, и авторы работы смотрели, на какие участки хромосом они сядут. Кроме того, клетки обрабатывались особым веществом, которое «замораживало» нестандартную ДНК, не давая ей перейти в обычный двуспиральный вид. Исследователи ожидали, что антитела «приземлятся» на теломерные концы, так как они особенно обогащены гуанином. Но, как пишут учёные в журнале Nature Chemistry, участки четверной спирали были обнаружены не только на концах, но и по всей длине хромосом.

Здесь важно отметить три момента. Во-первых, G-квадруплексы нашли в человеческих клетках. Во-вторых, это были не простые клетки, а раковые. В-третьих, чаще всего G-квадруплексы попадались в S-фазе клеточного цикла, когда клетка удваивает свой генетический материал перед делением. Более того, исследователи утверждают, что к квадруплексной организации имеют склонность гены, участвующие в злокачественном перерождении. Словом, так и хочется связать четверные спирали с онкологическими процессами.

Образование таких структур может быть вызвано многочисленными мутациями и повреждениями в ДНК (например, известно, что много повреждений при раке накапливается именно в теломерах). Наверное, квадруплексы как-то помогают раковой клетке в управлении важными генами. И тогда можно разработать лекарство от рака, нацеленное именно на квадруплексы. Но для начала нужно убедиться, что все эти предположения соответствуют реальности и что такие четверные спирали действительно свойственны именно раковым, а не всем клеткам.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Генетическая невосприимчивость к боли приводит к жизни без запахов. Ученые установили, что обе аномалии вызывает одна и та же мутация.

Ученые обнаружили неожиданную связь между болевой чувствительностью и обонянием. Специалистам известна мутация гена SCN9A, которая вызывает у человека невосприимчивость к боли. Это вовсе не облегчает ему жизнь, как может показаться на первый взгляд, а наоборот. Ведь боль служит жизненно важным сигналом о том, что в организме что-то не в порядке, а также сигнализирует об опасности. Например, что человек коснулся раскаленной сковородки.

У людей встречается также врожденная невосприимчивость к запахам – аносмия, полная или частичная – на отдельные запахи. Ее генетические причины до сих пор не выяснены.

Специалистам известно, что в нервных путях проведения боли большую роль играет один из типов натриевых ионных каналов (Nav1.7). Именно его кодирует ген SCN9A. Люди с мутацией данного гена, выключающей работу Nav1.7 канала, от рождения не чувствуют боли.

Без боли нет запахов

Франк Цуфаль (Frank Zufall) и его коллеги из Университета земли Саар (Saarland University), в Хомбурге, Германия, исследовали трех таких пациентов. Молодые люди никогда не испытывали острую боль, а так как были практически здоровы, то и хроническую – тоже. Врачи всем трем поставили диагноз, связанный с указанной генной мутацией, которая выключала канал Nav1.7. Ученым было интересно посмотреть, как обстоит дело с другими органами чувств людей без боли.

Все сенсорные системы у испытуемых были в порядке, за исключением обоняния. Специалисты оценили его в специальном тесте, включающем множество разных запахов. Оказалось, что у всех трех человек наблюдается нечувствительность к тем или иным запахам – то есть аносмия, правда, не полная, а частичная. Ученые предположили, что это связано с выключенными натриевыми каналами в обонятельных нейронах.

Каналы работают на два фронта

Дальнейшие исследования биологи проводили на мышах и убедились, что каналы Nav1.7 действительно работают в синапсах обонятельных нейронов. Ученые применили метод переживающих срезов нервной ткани обонятельной луковицы, в которых сохраняются электрические взаимосвязи между нейронами. На «живых срезах» исследователи подтвердили, что каналы Nav1.7 участвуют в возникновении скачка электрического потенциала в ответ на запаховый стимул. Это доказывает, что присутствие данных каналов на аксонах обонятельных нейронов — необходимое условие для передачи информации от них на нейроны обонятельной коры мозга. Сами обонятельные нейроны работают, но при закрытом канале не могут передавать сигнал по цепи, поэтому запах не воспринимается на высшем уровне.

Затем, как и полагается в исследованиях, биологи вывели мутантных мышей с неработающим геном SCN9A. Такие животные не чувствовали боли, да и с обонянием у них оказалось неважно. В тесте мутанты, в отличие от нормальных мышей, не проявляли интереса к жизненно важным запахам: еды, полового партнера, хищника. А если у кормящей матери-мутанта извлечь из гнезда детенышей, она не делает попыток вернуть их обратно. Обоняние в мышиной жизни стоит на первом месте среди всех ощущений.

Так ученые доказали ключевую роль канала Nav1.7 в обонянии. А также показали, как один и тот же механизм связывает ощущения двух модальностей – обоняние и боль.

Результаты работы опубликованы в Nature.

Источник: Infox.ru

При моделировании эволюции двух штаммов кишечной палочки тот, что был на грани вымирания, в конечном счёте опередил «лидера». Как оказалось, изначально плохая мутация у «лузера» при взаимодействии с другой мутацией оказалась эволюционно выгодной.

Кишечная палочка и её ДНК (фото Dr. Gopal Murti) Эволюция — дама капризная и непредсказуемая. Не успеешь оглянуться, как её вчерашние фавориты уже на грани вымирания. И наоборот: те, что раньше плелись в хвосте эволюционного процесса и не блистали численностью, через какое-то время вырываются вперёд. Одна и та же мутация может служить как на благо вида, так и во вред.

Группа американских микробиологов из Университета штата Мичиган попробовала экспериментально показать, как изменения в ДНК обуславливают разный эволюционный потенциал у разных организмов. Учёные выращивали два штамма кишечной палочки Escherichia coli, у каждого из которых было по мутации в одном и том же белке topA — топоизомеразе, который необходим для расплетания молекулы ДНК при её копировании или синтезе матричной РНК.

Эти две мутации по-разному влияли на белок. Бактерии одного штамма размножались гораздо медленнее, зато второй в результате мутации получил «усовершенствованный» белок, который через 500 поколений обеспечил полное доминирование этого штамма бактерии. Первый же, «неудачник», оказался к тому моменту на грани вымирания.

Однако к поколению номер 883 наметился перелом. Первоначальные «лузеры» стали размножаться чуть быстрее «чемпионов» — на какие-то 2,1%. И уже к полуторатысячному поколению роли поменялись — «чемпионы» вымерли, «лузеры» пили шампанское. И такой исход «эволюции в бутылке» воспроизводился в большинстве случаев, хотя и не всегда.

Исследователи более подробно проанализировали геном обоих штаммов и выяснили, что у конечных победителей мутация topA комбинируется с мутацией в гене spoT. Несмотря на то что у тех, кто сначала шёл впереди, мутация в topA давала преимущество, она не сотрудничала со второй мутацией, что в итоге приводило этот штамм в эволюционный тупик.

Статья с результатами работы опубликована в журнале Science.

Коллеги авторов подчёркивают, что гипотеза о взаимовлиянии разных мутаций, разных участков ДНК и пр. в процессе эволюции широко обсуждается, но проверить её на практике было довольно трудно. Эта работа стала первым экспериментальным доказательством на молекулярном уровне эволюционного «сотрудничества» разных мутаций в ДНК. И, конечно, относительности «добра» и «зла» в эволюционном процессе. 

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Эволюция традиционно понимается как перебор множества небольших изменений в организме и выбор самого подходящего к конкретным условиям среды. В любом живом существе постоянно происходят генетические мутации, которые могут приводить к переменам в работе клеток, тканей, органов и т. п. Если это случается к месту, изменение сохраняется в поколениях.

Хотя человеческий эмбрион (на фото) и превратится в будущем в уникальный организм, клеточные комплексы, образующиеся в ходе его развития, сходны с теми, что образуют эмбрионы других животных. (Фото Bettmann / Corbis)Стюарт Ньюман из Медицинского колледжа Нью-Йорка (США) предложил свою версию эволюции жизни — по крайней мере в той её части, которая касается развития самых первых многоклеточных организмов. Учёный исходил из того, что тела животных, от эмбриональной стадии до взрослого состояния, используют набор повторяющихся морфологических мотивов, повторяющихся структурных комплексов, которые можно уподобить строительным блокам. Причём эти элементы, если верить ископаемым находкам, впервые появились почти полмиллиарда лет назад. С помощью таких блоков образуются кровеносные сосуды, сегменты тела, экзоскелет или скелет обычный и т. д.

По словам профессора Ньюмана, ему в голову вдруг пришла идея, что эти клеточные блоки похожи на то, как ведут себя вязкоупругие химические субстанции при механическом воздействии. Из этого он делает вывод, что первые многоклеточные столкнулись с силами, с которыми до сих пор жизнь не имела дела, и эти силы буквально слепили из многоклеточных, как из глины, те самые базовые морфологические мотивы. Действительно, даже интуитивно понятно, что чисто механически среда действует на одну-единственную клетку совершенно иначе, чем на многоклеточный организм, пусть даже самый простой.

В будущем остались те многоклеточные, у которых гены позволяли принять ту или иную форму, не противоречившую новой физике. То есть у клеток были гены, предназначенные для внутриклеточных целей, но если они не могли найти общий язык с новой формой, многоклеточность такой клетке не светила. Иными словами, физические силы поставили фильтр, через который одни генетические комплексы прошли, а другие — нет. И здесь важно то, что таких комплексов могло быть довольно много; это объясняет морфологическое разнообразие живых организмов.

В этом случае не было постепенных микроизменений, которые шаг за шагом формировали облик организмов. Физические силы работали с уже имеющимся набором генетических признаков, разделяя их на годные и негодные к многоклеточной жизни. В дальнейшем естественный отбор шёл в направлении всё большей независимости от физики, но при этом структурные кирпичи остались. Эту теорию можно оспаривать, но в её пользу говорит тот факт, что взрыв морфологического разнообразия произошёл между 640 и 540 млн лет назад: именно тогда сформировались все структурные мотивы, и с тех пор ничего нового к ним не прибавилось.

Подробности гипотезы изложены в журнале Science.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

«Эволюция в пробирке» заняла у кишечной палочки 24 года.

Кишечная палочка (Escherichia coli) википедияАмериканские микробиологи из Мичиганского университета «заставили» бактерий эволюционировать, в результате чего те стали питаться новым типом вещества. Результаты исследования опубликованы в свежем номере журнала Nature.

Эксперимент был начат в 1988 году. Ученые расселили кишечных палочек (Escherichia coli) по 12-ти культурам, и затем каждые сутки добавляли в них ограниченное количество глюкозы, которого хватало на несколько часов. Это давало бактериям стимул искать альтернативные источники энергии.

Через определенные интервалы времени исследователи отбирали образцы из всех12 культур и замораживали их, чтобы в случае необходимости «отмотать» молекулярную эволюцию. Когда у микроорганизмов сменилась 31 тысяча поколений, выяснилось, что некоторые бактерии в одной из культур Ara–3 смогли перейти на питание лимонной кислотой.

В норме бактерии E. сoli не могут потреблять лимонную кислоту в присутствии кислорода, что является их отличительной видовой особенностью. Поэтому, когда еще через 2 тысячи поколений большинство бактерий культуры Ara–3 стали питаться лимонной кислотой, ученые сочли, что у них эволюционировал совершенно новый признак.

Эволюция в три этапа

Авторы статьи разморозили образцы культуры Ara–3 за весь период ее существования и проанализировали, как менялся геном бактерий. Ученые пришли к выводу, что молекулярная эволюция у E. сoli происходила в три этапа. На первом из них произошла мутация в гене, в котором закодирован белок, направляющий лимонную кислоту в клетке.

В аэробных условиях у обычных бактерий этот ген не работает, однако у мутировавших E. сoli он переставал реагировать на присутствие кислорода. При этом единичная мутация сама по себе не способствовала эффективному усвоению лимонной кислоты. Поэтому E. сoli смогла перейти на новый тип питания только тогда, когда в ее геноме накопилось достаточное число копий мутировавшего гена.

Авторы исследования подчеркивают, что даже у таких несложно устроенных организмов, как бактерии, для приобретения нового признака недостаточно единичной мутации. «В реальности мутация – это сложный комплексный процесс перестройки ДНК, в результате чего бактерия получает новый регуляторный модуль, не существовавший ранее», – пояснил Закари Блаунт, один из авторов работы.

Источник: infox.ru

Формирование признака определяется по меньшей мере двумя силами — взаимовлиянием генов, из-за чего необходимые мутации концентрируются в строго определённой группе генов, и коэволюцией организмов, когда от «воли» одного зависит, сколько мутаций в геном получит другой.

Бактериофаг лямбда (фото CNRI)Сколько генов составляет признак? Вопрос, не уступающий по сложности средневековому «Сколько демонов уместится на кончике иглы?». Впрочем, гены и признаки имеют большее отношение к нашей повседневной жизни, чем средневековые эзотерические задачи. Достижения молекулярной биологии и генетики ясно дали понять, что ген не всегда тождествен признаку, как мы привыкли его понимать. Например, цвет глаз — это типичный признак, но цвет глаз может зависеть от работы нескольких генов, часть из которых производит ферменты для синтеза соответствующего пигмента, а часть управляет генами ферментов-исполнителей.

Соответствие между генами и признаками интересует биологов по ряду причин. С одной стороны, это причины чисто практического характера: когда мы видим какой-то признак наследственной болезни, необходимо знать, сколько и какие гены за него отвечают. С другой стороны, есть более фундаментальный вопрос — понять, как происходит формирование признаков в эволюции. Решая задачи, которые ставит пред ним среда, организм может пойти по одному из двух путей — либо совершенствовать, настраивать, подтягивать уже имеющиеся признаки, либо сделать, что называется, ход конём и сформировать новый признак. В таком случае вопрос несколько изменяется и выглядит как «Сколько мутаций формируют признак?».

Две статьи, вышедшие одновременно в журнале Science, пытаются разгадать силы, отвечающие за возникновение новых признаков. В первой исследователи из Мичиганского университета (США) рассказывают, как они пытались заставить фаг лямбда найти новый способ проникать в бактериальную клетку. Этот вирус поражает кишечную палочку, попадая в неё с помощью особого рецептора на поверхности клеточной стенки, называемого LamB. Исследователи сделали так, что бактерия перестала синтезировать этот рецептор, и расселили вирус по 96 колониям таких модифицированных бактерий. Их интересовало, как и за какое время вирус сумеет преодолеть возникшую трудность и найдёт новый способ проникнуть в клетку. Действительно, в 25% случаев паразит нашёл обходной путь в виде другого поверхностного бактериального белка, OmpF. За 12 дней в вирусном белке J возникли четыре мутации: обычно J-белок нужен для посадки на LamB-рецептор, но будучи вооружён четырьмя мутациями, он становится способен связывать OmpF-рецептор.Кишечные палочки в процессе конъюгации (фото Eye of Science)

Однако сама бактерия не остаётся в стороне. Оказалось, что у неё может возникать мутация, изменяющая трансмембранный канал, который вообще закрывает вирусу путь в клетку. В этом случае мутации в вирусном белке в буквальном смысле останавливаются за шаг до решения задачи: получив три мутации из четырёх, вирус как бы понимает, что условия изменились, и перестаёт трансформироваться. Очевидно, формирование признака тут жёстко подчинено коэволюции двух видов, которую можно сравнить с парным танцем: если бактерия делает шаг, вирус совершает четыре, но если бактерия делает ещё один шаг, то вирус отвечает тремя, после чего отступает.

В случае с бактериофагом для нового признака (способности проникать в клетку) хватило всего четырёх мутаций в одном гене, что неудивительно, учитывая относительную простоту организации вируса. На бактериальном уровне масштабы уже совершенно другие. Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) попробовали выработать термоустойчивость у кишечной палочки Escherichia coli. В течение года исследователи выращивали 115 бактериальных колоний при 42,2 ˚C. Температура влияет на многие процессы в организме, поэтому учёные надеялись увидеть значительные изменения в геноме. Выяснилось, что у тех бактерий, что выжили в таких условиях, появилась 1 331 мутация, распределённая по более чем 600 сайтам в ДНК. Но все эти мутации и их сайты оказались принадлежащими двум направлениям: изменения в одном из них касались белковой машины, синтезирующей РНК; изменения во втором происходили в rho-белке, контролирующем завершение синтеза РНК. Очень редко бактерия совмещала эти две группы изменений. Однако трансформации в каждой из белковых машин сопровождались мутациями в каких-то добавочных генах, которые зависели от главной, целевой группы.

Почему мутации именно этих двух групп генов помогают кишечной палочке выживать при высокой температуре? Почему они делают это порознь? Это учёным только предстоит выяснить. Пока же на основе описанных работ можно сделать вывод о том, как происходит формирование нового признака. Множество мутаций вбрасываются в более или менее чётко очерченную группу генов, причём они находятся под сильнейшим влиянием других мутаций из-за взаимосвязанности генов и зависят от параллельных изменений в других организмах, как в случае вируса и бактерии. Есть, конечно, целая группа признаков, которая возникает из-за одной–двух мутаций, но такие признаки в большинстве случаев оказываются болезнетворными и к эволюционному успеху явно не приводят.

Источник:  КОМПЬЮЛЕНТА