Новые данные опровергают идею о том, что мутации являются абсолютно случайными

Раньше ученые отвергали идеи о том, что эволюция движется в определенном направлении, но новое исследование показывает, что в этом предположении может быть больше правды, чем официальная наука могла себе представить.

Хотя это не так просто, как если бы речь шла о мутации с определенной целью, теперь выясняется, что не все ДНК одинаковы, когда дело доходит до способности к изменению. По крайней мере, не у цветущего придорожного сорняка, известного как кресс-салат (Arabidopsis thaliana).

"Мы всегда считали, что мутации происходят в геноме случайным образом", - говорит ученый-растениевод Грей Монро из Калифорнийского университета в Дэвисе.

"Оказалось, что мутации очень неслучайны, причем неслучайны так, что это идет на пользу растению. Это совершенно новый взгляд на мутацию".

Для того чтобы генетическая мутация (или вариант) возникла в организме, необходимо, чтобы несколько вещей произошли правильно. Во-первых, ДНК должна быть изменена внутри половых клеток - клеток, которые передают свой генетический материал потомству организмов. 

Это может быть изменение одной буквы в последовательности ДНК, например, в результате повреждения ультрафиолетом, или потеря гена, или перепутывание целой хромосомы в результате ошибок при копировании и передаче генетического материала.

Тогда это повреждение должно ускользнуть от нескольких клеточных механизмов, которые существуют для того, чтобы предотвратить передачу таких изменений. К ним относятся системы репарации ДНК или, в случае экстремальных мутаций, запрограммированная клеточная смерть (апоптоз).

Если мутация ускользает от этих процессов, она может быть передана следующему поколению.

Большинство мутаций, включающих изменение одного гена, являются нейтральными, поскольку они не приводят к каким-либо значительным изменениям в форме или функции организма.

Но те из них, которые вызывают изменения, могут быть подвержены прихотям естественного отбора и сохраняться в следующих поколениях.

Именно на этом этапе эволюция, как считалось, делает большую часть сортировки между хорошими и плохими мутациями. Например, если мутация мешает выживанию растения или животного, она вряд ли сохранится надолго.

Хотя силы отбора могут определять, какие мутации передаются из поколения в поколение, сами мутации обычно рассматриваются как непредсказуемый бросок игральной кости в генетической библиотеке организма.

"С первой половины двадцатого века в эволюционной теории доминировала идея о том, что мутации происходят случайным образом в отношении их последствий", - пишет группа исследователей в своей статье.

Монро и его коллеги использовали растительный эквивалент лабораторной крысы - вышеупомянутый кресс-салат - для проверки предположения о том, что мутации действительно случайно распределены по геному. Они проанализировали геномы 400 линий растений, и, к их удивлению, данные показали не это.

Вместо этого они обнаружили, что определенные области генома растений были гораздо более подвержены мутациям, чем другие. 

"Это действительно важные области генома", - говорит Монро. "Области, которые являются наиболее биологически важными, защищены от мутаций".

Это оставалось верным независимо от того, рассматривали ли они кодирующие или некодирующие части генетического кода, что позволяет предположить, что эффект связан не с конкретными типами ДНК, а с геномом в целом.

"Эволюция в области генов у арабидопсиса, по-видимому, объясняется мутационной предвзятостью в большей степени, чем отбором", - пишут Манро и его коллеги, объясняя, что если бы это несоответствие было вызвано естественным отбором, их анализ выявил бы больше уникальных вариантов генов, чем наблюдалось (поскольку они были бы потеряны позже в процессе).

Более того, полученные данные показали, что эпигенетические факторы, например, то, как ДНК обматывается вокруг определенных белков, и механизмы восстановления ДНК предсказывают, какие части генома менее подвержены мутациям. Уже существовали убедительные доказательства того, что восстановление ДНК направлено на активные участки генов, что подтверждает и данное исследование.

Знание того, как именно талес использует мутации, может иметь значение не только для других растений, но и для понимания эволюции и болезней практически у всех видов.

"Это означает, что мы можем предсказать, какие гены мутируют с большей вероятностью, чем другие, и это дает нам хорошее представление о том, что происходит", - говорит Вайгель.

"Это очень интересно, потому что мы можем использовать эти открытия, чтобы подумать о том, как защитить гены человека от мутаций".

Эти результаты свидетельствуют о том, что естественный отбор повлиял на вероятность мутаций во всей генетической библиотеке организма.

Таким образом, хотя отдельная мутация действительно остается случайной с точки зрения ее последствий, ее расположение в геноме предрасположено в пользу выживания организма, даже до того, как возможные последствия мутации вступят в игру естественного отбора.

Их исследование было опубликовано в журнале Nature.