Чтобы создать культовую закрученную двойную спираль, объясняющую разнообразие жизни, правила ДНК определяют, что G всегда сочетается с C, а A с T.
Но, когда все это сложено, количество содержания G+C по сравнению с содержанием A+T среди видов не является простым фиксированным процентом или стандартным соотношением один к одному.
Например, в одноклеточных организмах количество содержания G+C может варьироваться от 72 процентов в таких бактериях, как Streptomyces coelicolor, в то время как у простейшего паразита, вызывающего малярию, Plasmondium falciparum, всего 20 процентов.
У одноклеточных эукариот дрожжи содержат 38 процентов содержания G+C, такие растения, как кукуруза, содержат 47 процентов, а люди содержат около 41 процента.
Большой вопрос, почему?
«Это была одна из давних проблем в эволюции генома, и предыдущие попытки объяснить ее включали в себя значительное размахивание руками», - сказал Майкл Линч, который возглавляет новый Центр механизмов эволюции в Университете штата Аризона. Институт биодизайна.
Есть ли что-то в химической природе самой ДНК, что отдает предпочтение одному нуклеотиду над другим, или систематическая ошибка мутационного давления различается, и если да, то почему она должна быть разной у разных видов?
«В отсутствие ключевых наблюдений за процессом мутации было трудно понять, каков механизм», - сказал Линч.
Группа Майкла Линча экспериментально продемонстрировала, что композиция G+C, как правило, сильно благоприятствует, тогда как этому часто противостоит мутационное давление различной силы в противоположном направлении.
В среднем естественный отбор или какой-либо другой фактор (возможно, связанный с рекомбинационными силами) благоприятствует содержанию G+C, независимо от класса ДНК, размера генома вида или места, где этот вид встречается на планете. эволюционное древо жизни», - сказал Линч.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Ecology and Evolution.
Ошибаться присуще всем
Двигателями эволюции являются мутации ДНК, ошибки в геноме, которые вносятся и передаются следующему поколению, так что со временем они дают топливо для изобретения новых адаптаций или признаков.
Чтобы добраться до сути вопроса, ученые хотели получить способ количественной оценки всего спектра мутаций ДНК в лаборатории у широкого круга видов.
Теперь это можно сделать отчасти благодаря новым технологиям, позволяющим ускорить и удешевить секвенирование ДНК. Это положило начало золотому веку эволюционной экспериментальной биологии.
«Мы начали со знания спектра мутаций, который происходит на уровне генома примерно у 40 видов, исследованных в моей лаборатории», - сказал Линч. «Вы можете использовать эту информацию, чтобы рассчитать, каким был бы состав GC в отсутствие отбора. И затем мы можем сравнить это нулевое ожидание с фактическим содержанием генома, разница обусловлена отбором».
В ходе крупнейшего на сегодняшний день исследования, которое является самым масштабным, они изучили каждую мутацию ДНК у разных видов, секвенировав миллиарды химических оснований ДНК.
«Это представляло собой очень значительную рабочую нагрузку, усилия и затраты, которые были необходимы для проверки различных эволюционных моделей с высокой статистической мощностью», - сказал Хонган Лонг, исследователь с докторской степенью, который руководил экспериментами..
Они также воспользовались преимуществами анализа 25 текущих наборов данных о мутациях и 12 новых экспериментов по накоплению мутаций (MA) (многие из их собственной лаборатории), включая бактерии и зверинец многоклеточных организмов, включая дрожжи, червей, фрукты мухи, шимпанзе и люди.
Во время каждого эксперимента с МА они проводили полное секвенирование генома около 50 различных бактериальных линий, которые были пропущены через узкие места в одиночных клетках для тысяч клеточных делений.
Этот пассаж одной клетки каждой линии действует как фильтр, устраняя способность естественного отбора изменять накопление всех мутаций, кроме самых серьезных и вредных, давая нам действительно непредвзятое представление о процессе мутации, - сказал Лонг.
В каждом поколении они тщательно измеряли частоту мутаций или каждый случай изменения всего одной буквы ДНК.
Это может произойти двумя способами: одна пара оснований ДНК G или C преобразуется в направлении A+T; или наоборот, с переключением базы A или T в направлении G+C.
После обработки всех цифр и данных обнаружилась поразительная закономерность между содержанием G+C и ожиданиями, основанными на мутациях ДНК.
"Оказывается, они взаимосвязаны", - сказал Линч. «Состав G + C всегда выше, чем вы ожидаете, исходя из нейтральности. Это говорит нам о том, что существует всепроникающий отбор. Таким образом, мутация определяет общую закономерность, но отбор для G и C по сравнению с A и T повышает содержание генома выше нейтрального. мутационное ожидание.
Похоже, это верно практически во всех случаях."
Конец начала
Теперь, когда они продемонстрировали корреляцию состава G+C, это открыло двери для многих других вопросов и ответов, которые остаются неуловимыми.
"Один вопрос: почему спектр мутаций так резко меняется у разных видов"? - спросил Линч. «У видов разный спектр мутаций. Есть виды, чьи профили мутаций более богаты AT, а другие - более богаты GC. Мы до сих пор не знаем механизмов, лежащих в основе такого расхождения в мутационном спектре».
Они могут быть вызваны простыми различиями в химии и биофизике.
Одной из общих сил, которая может иметь значение, является стабильность ДНК, обусловленная химическим составом букв ДНК. Силы, которые удерживают лестницу ДНК неповрежденной, называются водородными связями. Пары G:C включают три водородные связи, тогда как пары A:T включают только две.
«Существует мнение, что большее содержание G:C повышает стабильность генома», - сказал Линч.
Другая возможность заключается в том, что во время размножения, когда нити ДНК каждого родителя переплетаются, образуя оплодотворенную яйцеклетку, могут возникать несоответствия в спаривании оснований, что приводит к ошибкам, которые ферменты корректировки ДНК должны исправить позже. Иногда G может быть изменен на A, или T становится C, преобразовывая гены во время этого процесса восстановления несоответствия.
«Обычно считается, что это предвзятое отношение к G и C», - сказал Линч.
Теперь, когда их экспериментальная установка готова, команда Линча готова к дальнейшему изучению механизмов эволюции и фундаментальных сил, стоящих за этой великой загадкой.