Создана самая большая карта мутаций ДНК одного организма

Биологи и специалисты в области информатики из Университета Индианы (Indiana University, США) создали одну из самых больших карт мутаций в последовательности ДНК одного организма. Карта содержит новейшую информацию о молекулярной природе мутаций, их количестве и скорости закрепления в последующих поколениях. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Команда ученых под руководством профессора Патрисии Л. Фостер (Patricia L. Foster) с биологического факультета Колледжа Искусств и Наук при Университете Индианы (IU College of Arts and Sciences Department of Biology) проводила новое исследование на модельном организме – кишечной палочке (Escherichia coli). Проанализировав геномные изменения более 200 тыс. поколений кишечной палочки, делящихся в условиях отсутствия естественного отбора, ученые установили, что количество спонтанных мутаций в ДНК кишечной палочки в три раза меньше, чем ранее предполагалось.

Результаты нового исследования также показали, что белки репарации ошибочно спаренных оснований, которые исследуют реплицированную ДНК и определяют в ней ошибки, не только поддерживают низкий уровень мутаций в последовательности, но и следят за балансом между численностью гуанин-цитозиновых и аденин-тиминовых оснований в геноме. Гуанин-цитозин (G-C) и аденин-тимин (A-T) – комплементарные азотистые основания, служащие мономерами ДНК.

«Мы знаем, что даже в отсутствие действия естественного отбора эволюция будет продолжаться, поскольку новые мутации возникают в геноме в случайном порядке, - говорит Фостер. – Поэтому, если мы хотим определить, руководит ли отбор специфическими эволюционными паттернами, необходимо узнать предполагаемый паттерн в отсутствие действия отбора. В этом исследовании мы определяем скорость и молекулярный спектр спонтанных мутаций при сведении к минимуму способности естественного отбора потенцировать возникновение или устранять мутации, что позволяет определить все мутации, которые не приводят к гибели бактерии».

Во время эксперимента, направленного на накопление параллельных мутаций, ученые, используя штамм кишечной палочки с дефектом исправления ошибок спаривания, у которого уровень мутаций был повышен более чем в 100 раз, проанализировали около 2 тыс. мутаций в ДНК бактерии. Они обнаружили, что спонтанные мутации в основном были связаны с заменой аденин-тиминовых пар оснований на гуанин-цитозиновые, что противоположно тому, что наблюдается у нормальных бактерий.

«Во всех организмах молекулярный спектр спонтанных мутаций связан с заменой гуанин-цитозиновых пар оснований на аденин-тиминовые, поэтому в геноме наблюдается тенденция к увеличению количества аденин-тиминовых оснований, - говорит Фостер. - Поскольку содержание гуанин-цитозиновых оснований в геномах сильно варьирует, должен быть селективный отбор, либо некий другой неадаптивный механизм, который может изменять состав генома в сторону повышения количества гуанин-цитозиновых пар оснований».

Новое исследование также демонстрирует, что исправление ошибок спаривания является ведущим фактором, определяющим возникновение спонтанных мутаций и соотношение оснований в геноме.

«Путем выявления молекулярной природы спонтанных мутационных изменений, на которые не воздействует естественный отбор, мы сможем глубже понять факторы, определяющие распространенность мутаций, мутационный спектр, геномный нуклеотидный состав, а также их различия среди организмов и особенности формирования условиями окружающей среды», - говорит Фостер.

Круговая диаграмма изображает хромосому Escherichia coli с 1931 мутациями. Голубые линии представляют собой замену пар нуклеотидов, зеленые линии – возникновение или потерю от одного до четырех нуклеотидов. (фото: Andrew J. Hanson, School of Informatics and Computing, Indiana University)

По материалам Indiana University