Adaptiv mutasjon - Adaptive mutation
Adaptiv mutasjon , også kalt rettet mutasjon eller rettet mutagenese, er en kontroversiell evolusjonsteori. Det antyder at mutasjoner , eller genetiske endringer, er mye mindre tilfeldige og mer målrettet enn tradisjonell evolusjon , noe som innebærer at organismer kan reagere på miljøspenninger ved å ortogenetisk rette mutasjoner til visse gener eller områder av genomet . Det har vært et stort utvalg eksperimenter som har forsøkt å støtte (eller motbevise) ideen om adaptiv mutasjon, i hvert fall i mikroorganismer .
Definisjon
Den mest aksepterte evolusjonsteorien sier at organismer modifiseres ved naturlig seleksjon der endringer forårsaket av mutasjoner forbedrer sjansen for reproduktiv suksess. Adaptiv mutasjon sier at i stedet for at mutasjoner og evolusjon er tilfeldig, er de som svar på spesifikke påkjenninger. Med andre ord er mutasjonene som oppstår mer fordelaktige og spesifikke for det gitte stresset, i stedet for tilfeldige og ikke et svar på noe spesielt. Begrepet stress refererer til enhver endring i miljøet, for eksempel temperatur, næringsstoffer, befolkningsstørrelse, etc. Tester med mikroorganismer har funnet ut at for adaptiv mutasjon var flere av mutasjonene observert etter et gitt stress mer effektive for å håndtere stress enn sjansen alene antyder at det er mulig. Denne teorien om adaptiv mutasjon ble først brakt til akademisk oppmerksomhet på 1980 -tallet av John Cairns .
Tidlig arbeid
Den russiske iktyologen Lev Berg foreslo rettet massemutasjoner som hovedmekanismen for evolusjon i sin anti-darwinistiske bok Nomogenesis; eller, evolusjon bestemt av lov (1922). Bergs teori var både mutasjonistisk (involverer mutasjon i stedet for seleksjon) og ortogenetisk (som involverer retning). Tidlige studier av "rettet mutasjon" ble utført av tyske genetikere. Richard Goldschmidt hevdet å ha fremlagt bevis for rettet mutasjon i 1929 i sine eksperimenter på Drosophila fruktfluer utsatt for forhøyede temperaturer. Viktor Jollos (1887–1941) på 1930 -tallet hadde også utført eksperimenter på Drosophila og skrevet at resultatene hans hadde bekreftet Goldschmidts arbeid, som var bevis på rettet mutasjon i motsetning til naturlig seleksjon . Senere klarte imidlertid amerikanske genetikere ikke å replikere disse eksperimentene, og konseptene falt i unåde sammenlignet med den standard darwinistiske mekanismen for tilfeldig forekommende mutasjoner .
Nylige studier
Adaptiv mutasjon er en kontroversiell påstand som fører til en rekke eksperimenter designet for å teste ideen. Tre store eksperimenter er SOS -respons, respons på sult i Escherichia coli og testing for revertanter av en tryptofan auxotroph i Saccharomyces cerevisiae (gjær).
Laktose sult
Den E. coli -stamme FC40 har en høy grad av mutasjon, og det er nyttig for studier, som for adaptiv mutasjon. På grunn av en rammeskiftmutasjon , en endring i sekvensen som får DNA til å kode for noe annet, klarer ikke FC40 å behandle laktose. Når de ble plassert i et laktoserikt medium, har det blitt funnet at 20% av cellene muterte fra Lac- (kunne ikke behandle laktose) til Lac+, noe som betyr at de nå kunne utnytte laktosen i miljøet. Svarene på stress er ikke i dagens DNA, men endringen gjøres under DNA -replikasjon gjennom rekombinasjon og selve replikasjonsprosessen, noe som betyr at den adaptive mutasjonen forekommer i de nåværende bakteriene og vil arves av de neste generasjonene fordi mutasjonen blir en del av den genetiske koden i bakteriene. Dette er spesielt tydelig i en studie av Cairns, som viste at selv etter å ha flyttet E. coli tilbake til et medium med minimale nivåer av laktose, fortsatte Lac+ mutanter å bli produsert som et svar på det forrige miljøet. Dette ville ikke være mulig hvis adaptiv mutasjon ikke var i arbeid fordi naturlig seleksjon ikke ville favorisere denne mutasjonen i det nye miljøet. Selv om det er mange gener involvert i adaptiv mutasjon, ble RecG, et protein, funnet å ha en effekt på adaptiv mutasjon. I seg selv ble det funnet at RecG ikke nødvendigvis fører til en mutasjonell fenotype. Det ble imidlertid funnet å hemme utseendet til revertanter (celler som dukket opp normalt, i motsetning til de med mutasjonene som ble studert) i villtype -celler. På den annen side var RecG-mutanter nøkkelen til uttrykk for RecA-avhengige mutasjoner, som var en stor del av studien i SOS-responsforsøkene, for eksempel evnen til å utnytte laktose.
Adaptiv mutasjon ble foreslått på nytt i 1988 av John Cairns som studerte Escherichia coli som manglet evnen til å metabolisere laktose . Han vokste disse bakteriene i medier der laktose var den eneste energikilden . Ved å gjøre det, fant han ut at hastigheten bakteriene utviklet evnen til å metabolisere laktose var mange størrelsesordener høyere enn man kunne forvente hvis mutasjonene virkelig var tilfeldige . Dette inspirerte ham til å foreslå at mutasjonene som hadde skjedd hadde vært rettet mot de genene som er involvert i laktoseutnyttelse.
Senere støtte for denne hypotesen kom fra Susan Rosenberg, da ved University of Alberta , som fant at et enzym involvert i rekombinasjonell DNA -reparasjon , recBCD , var nødvendig for den riktede mutagenesen observert av Cairns og kolleger i 1989. Den rettet mutagenesehypotesen ble utfordret i 2002, ved arbeid som viste at fenomenet skyldtes generell hypermutabilitet på grunn av valgt genforsterkning, etterfulgt av naturlig seleksjon, og dermed var en standard darwinistisk prosess. Senere forskning fra 2007 konkluderte imidlertid med at forsterkning ikke kunne forklare den adaptive mutasjonen, og at "mutanter som vises i løpet av de første dagene av laktosevalg er sanne revertanter som oppstår i et enkelt trinn".
SOS -svar
Dette eksperimentet er forskjellig fra de andre på en liten måte: dette eksperimentet er opptatt av veiene som fører til en adaptiv mutasjon mens de andre testet det skiftende miljøet mikroorganismer ble utsatt for. Den SOS respons i E. coli er en respons på DNA-skade som må repareres. Den normale cellesyklusen settes på vent og mutagenese kan begynne. Dette betyr at det vil oppstå mutasjoner for å prøve å fikse skaden. Denne hypermutasjonen , eller den økte endringshastigheten, må reaksjonen ha en reguleringsprosess, og noen viktige molekyler i denne prosessen er RecA og LexA . Dette er proteiner og fungerer som stopplys for denne og andre prosesser. De ser også ut til å være de viktigste bidragsyterne til adaptiv mutasjon i E. coli . Endringer i nærvær av det ene eller det andre viste seg å påvirke SOS -responsen, noe som igjen påvirket hvordan cellene var i stand til å behandle laktose , som ikke bør forveksles med laktose -sultforsøket. Nøkkelpunktet å forstå her er at LexA og RecA begge var påkrevd for at adaptiv mutasjon skulle oppstå, og uten SOS -respons ville adaptiv mutasjon ikke være mulig.
Gjær
Dr. von Borstel, på 1970 -tallet, utførte eksperimenter som ligner Lactose Starvation -eksperimentet med gjær, spesielt Saccharomyces cerevisiae . Han testet for tryptofan auxotroph revertanter. En tryptofan auxotrof kan ikke lage tryptofan for seg selv, men villtype celler kan, og derfor vil en revertant gå tilbake til den normale tilstanden for å kunne produsere tryptofan. Han fant ut at når gjærkolonier ble flyttet fra et tryptofanrikt medium til et minimalt, fortsatte revertanter å vises i flere dager. I hvilken grad revertanter ble observert i gjær, var ikke så høy som med bakterier. Andre forskere har utført lignende eksperimenter, for eksempel Hall som testet histidinrevertanter , eller Steele & Jinks-Robertson som testet lysin . Disse eksperimentene viser hvordan rekombinasjon og DNA -replikasjon er nødvendig for adaptiv mutasjon. I lysintestede celler fortsatte imidlertid rekombinasjon å skje selv uten seleksjon for det. Steele og Jinks-Robertson konkluderte med at rekombinasjon skjedde under alle omstendigheter, adaptiv eller på annen måte, mens mutasjoner bare var tilstede når de var fordelaktige og adaptive.
Selv om produksjonen av mutasjoner under seleksjonen ikke var like kraftig som observert med bakterier, er disse studiene overbevisende. Som nevnt ovenfor legger en påfølgende studie til enda mer vekt på resultatene med lys2 . Steele & Jinks-Robertson [1] fant ut at LYS-prototrofer på grunn av interkromosomale rekombinasjonshendelser også fortsetter å oppstå i ikke-delende celler, men i dette tilfellet fortsatte produksjonen av rekombinanter enten det var utvalg for dem eller ikke. Dermed skjedde mutasjon i stasjonær fase bare når den var adaptiv, men rekombinasjon skjedde enten den var adaptiv eller ikke.
Forsinket utseende av mutanter har også blitt rapportert for Candida albicans . Med lang eksponering for sublethale konsentrasjoner av tungmetaller begynte kolonier av resistente celler å dukke opp etter 5-10 dager og fortsatte å vises i 1-2 uker deretter. Disse motstandene kunne ha resultert fra genforsterkning, selv om fenotypene var stabile i løpet av en kort periode med ikke -selektiv vekst. Imidlertid dukket også revertanter av to auxotrofier opp med lignende kinetikk. Ingen av disse hendelsene i Candida albicans har foreløpig vist seg å være spesifikke for valget som ble pålagt.