Tekanan membantu mengatasi mutasi yang berbahaya • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Genetik, Biologi Pembangunan, Evolusi

Tekanan membantu mengatasi mutasi yang berbahaya.

Salah satu mutasi yang dipelajari dalam kerja yang dibincangkan mengganggu gen tersebut lin-31terlibat dalam pengawalseliaan sistem pembiakan. Di sebelah kiri: mutasi yang ditunjukkan dalam fenotip, menyebabkan pembentukan pseudo-vulva (bertanda asterisk). Di sebelah kanan: cacing lain dengan genom yang sama tidak menunjukkan mutasi. Anak panah ditunjukkan oleh vulva. Imej dari artikel dalam perbincangan Sains

Eksperimen Cacing C. elegans menunjukkan bahawa kesan mutasi berbahaya yang banyak berkait rapat dengan kekuatan tindak balas badan terhadap terlalu panas. Dalam individu yang bertindak balas dengan tegas untuk memanaskan tekanan, mutasi berbahaya tidak muncul dalam fenotip. Ini dijelaskan oleh hakikat bahawa protein chaperone dihasilkan semasa terlalu panas, membantu protein lain untuk mengembalikan konfigurasi tiga dimensi "betul", tanpa mengira sama ada ia pecah – terlalu panas atau mutasi. Di samping itu, individu yang mempunyai respon yang kuat terhadap tekanan hidup secara purata lebih lama. Nampaknya pemilihan itu sepatutnya menetapkan tahap tindak balas yang tinggi secara konsisten terhadap stres, tetapi tahap ini berbeza-beza walaupun di kalangan cacing genetik yang serupa. Seperti yang ternyata, ini disebabkan oleh fakta bahawa individu yang mempunyai reaksi kuat untuk menekan "membayar" untuk faedahnya dikurangkankesuburan. Oleh itu, dalam keadaan berubah dan tidak menentu ciri-ciri habitat semulajadi C. elegans, strategi optimum ternyata menjadi pemeliharaan kebolehubahan stokastik berdasarkan asas yang diberikan.

Banyak mutasi tidak muncul dalam fenotip dalam semua, tetapi hanya dalam sesetengah individu yang mempunyai mutasi ini dalam genom mereka. Fenomena ini dipanggil "penetrasi tidak lengkap" (lihat: Pemusnahan pembangunan – jalan ke inovasi evolusi, "Unsur", 13.07.2009). Jika perbezaan dalam manifestasi fenotip mutasi diperhatikan dalam individu yang berbeza secara genetik, ini boleh dijelaskan oleh interaksi intergenik, iaitu, mengubah kesan gen lain pada kesan fenotipik mutasi di bawah kajian (lihat epistasis). Walau bagaimanapun, penembusan tidak lengkap kadang-kadang diperhatikan dalam garisan isogenik, iaitu, dalam populasi individu yang sama secara genetik (walaupun mereka berkembang di bawah keadaan yang sama!), Dan ini sudah lebih sukar dijelaskan. Ia perlu mengambil kira fenomena yang sedikit dikaji kerana turun naik secara rawak aktiviti gen (lihat: Redundansi rangkaian pengawalseliaan membuat perkembangan kekebalan kebisingan. "Unsur-unsur", 02.22.2010) dan stokastik yang berkaitan dengan perkembangan individu (lihat: Proses self-organization dalam ontogeny multiselular: pengalaman simulasi).

Penembusan mutasi berbahaya yang tidak lengkap dapat ditafsirkan sebagai manifestasi salah satu sifat asas sistem hidup – kekebalan kebisingan. Kedua-dua jenis "gangguan" utama yang selalu ditemui oleh organisma hidup adalah mutasi yang berbahaya dan perubahan alam sekitar yang tidak menentu. Organisma yang tidak stabil dihapuskan dengan pemilihan, oleh itu, dalam proses evolusi, makhluk hidup tidak dapat tidak membangun adaptasi khas untuk meningkatkan imuniti bunyi. Penyesuaian tersebut termasuk, contohnya, litar pengawalseliaan gen dengan maklum balas negatif. Dalam kes ini, seringkali ternyata bahawa penyesuaian, yang telah dibangunkan untuk meningkatkan ketahanan terhadap satu jenis gangguan, pada masa yang sama meningkatkan daya tahan terhadap jenis gangguan yang lain. Contoh yang biasa adalah protein pengiring yang membantu protein lain mengamalkan konfigurasi tiga dimensi yang betul. Konfigurasi ini boleh terganggu dengan baik kerana turun naik suhu dan mutasi, jadi penjaga meningkatkan daya tahan terhadap kedua-dua jenis gangguan serentak (untuk maklumat lanjut, lihat nota: Protein Hsp90 mengawal aktiviti unsur genetik mudah alih, Elemen, 01/19/2010 Apabila terdapat banyak mutasi berbahaya, mereka tidak begitu berbahaya, "Unsur", 6 Disember 2005).

Satu corollary yang menarik berikut dari ini.Tidak dikecualikan bahawa pengaktifan sistem yang direka untuk mengatasi keadaan luaran yang buruk, secara serentak dapat mengurangkan kesan negatif mutasi berbahaya. Dengan kata lain, tindak balas badan terhadap tekanan alam sekitar dapat melancarkan manifestasi kecacatan keturunan. Anggapan ini seolah-olah masuk akal, yang, bagaimanapun, tidak membatalkan keperluan untuk pengesahan eksperimen, dan yang paling penting, untuk merinci dan mengenal pasti mekanisme tertentu.

Untuk tujuan ini, ahli biologi Sepanyol menjalankan satu siri eksperimen ke atas objek makmal klasik – cacing pusingan. Caenorhabditis elegans. Percubaan pertama dilakukan untuk memeriksa sama ada pengaktifan tindak balas umum terhadap tekanan melancarkan kesan fenotip mutasi berbahaya (iaitu, untuk mengurangkan penetrasi mereka). Untuk ini, cacing yang diubahsuai secara genetik telah digunakan (garis + HSF-1) dengan peningkatan pengeluaran "faktor kejutan haba 1" (faktor kejutan haba 1, HSF-1). Protein ini adalah pengawal selia peringkat tinggi: ia mengaktifkan beberapa gen yang terlibat dalam tindak balas terhadap tekanan alam sekitar, termasuk gen pendengaran. Cacing diubah suai sentiasa berjaga-jaga tinggi dan berbeza daricacing konvensional sangat tahan terhadap pengaruh luaran yang buruk.

Para penyelidik menyeberangi cacing + HSF-1 dengan pembawa sebelas mutasi berbahaya yang berbeza dan membandingkan tahap penetrasi mutasi ini pada individu dengan tahap biasa HSF-1 yang tinggi. Ternyata hiperaktif sistem respon terhadap tekanan alam sekitar dengan pasti mengurangkan penembusan lapan dari sebelas mutasi. Peratusan individu di mana mutasi ini menampakkan diri dalam fenotip didapati dikurangkan dalam cacing + HSF-1 sebanyak 18-88% berbanding dengan kawalan.

Penetapan sebilangan mutasi berbahaya dalam cacing dengan peningkatan aktiviti sistem respon terhadap tekanan alam sekitar (+ HSF-1, bar putih) berbanding dengan kawalan – cacing biasa (mutasi sahaja, bar kelabu). Oleh paksi menegak – penetrasi (peratusan individu di mana mutasi berbahaya itu muncul dalam fenotip). A – lima mutasi yang menunjukkan diri mereka dalam peringkat awal pembangunan, B – enam mutasi yang menunjukkan diri mereka di peringkat akhir pembangunan. Grafik Dengan menunjukkan bahawa untuk empat mutasi "mutasi, kejutan haba dipindahkan ke peringkat larva L1 (bar putih), mengurangkan penembusan dalam cara yang sama seperti pengeluaran HSF-1 yang meningkat secara genetik.Imej dari artikel dalam perbincangan Sains

Selain itu, ternyata kesan mutasi, penetrasi yang menurun dalam cacing + HSF-1, juga bergantung kepada suhu. Sekiranya larva muda cacing normal (tidak diubah suai) tertakluk kepada kejutan haba (dipanaskan hingga 35 ° C selama dua jam), penembusan mutasi terlambat berkurangan sama seperti cacing + HSF-1 (graf C dalam angka di atas). Jika penembusan mutasi tidak bergantung kepada tahap HSF-1, maka kejutan haba tidak menjejaskannya. Kemungkinan besar, ketiga-tiga mutasi yang ternyata tidak sensitif pada tahap HSF-1 hanya "tidak menyembuhkan" pendengaran (contohnya, mereka mungkin tidak dikaitkan dengan pelanggaran struktur protein apa pun, tetapi dengan ketiadaannya yang lengkap).

Oleh itu, eksperimen ini menunjukkan bahawa tindak balas kepada tekanan yang disebabkan oleh pengubahsuaian genetik atau pendedahan alam sekitar (kejutan haba) sebenarnya mengurangkan penembusan mutasi yang berbahaya. Sama ada mutasi dalam fenotip itu muncul atau tidak bergantung, pertama, mengenai genetik (contohnya, tahap asas genetik HSF-1), kedua, pada sejarah kehidupan individu, termasuk tekanan yang dialami pada zaman kanak-kanak.Perkara utama di sini adalah untuk mematuhi ukuran: terlalu banyak tekanan boleh merosakkan sistem "mulling" mutasi dengan pendamping dan dengan itu memperburuk kesan fenotipik mutasi ini (lihat: Queitsch et al., 2002. Hsp90 sebagai kapasitor variasi fenotipik), tetapi tekanan sederhana dipindahkan pada usia tertentu, sebaliknya, boleh melicinkan mereka.

Dikatakan di atas bahawa penetrasi tidak lengkap juga diperhatikan dalam populasi isogenik, walaupun keadaan di mana individu berkembang hampir sama. Semasa percubaan selanjutnya, penulis, bekerja dengan isogenic lines C. elegans, cuba memikirkan apa yang menyebabkan variabiliti aneh di haiwan dengan gen yang sama dan "pengalaman hidup." Cacing C. elegans mampu untuk persenyawaan diri (lihat: Untuk mengubah betina menjadi hermaphrodit, dua mutasi sudah cukup, Elemen, 16 November 2009), jadi tidak sukar untuk memperoleh garis isogenik cacing ini. Lebih-lebih lagi, garis seperti itu, nampaknya, sering berlaku dalam alam semula jadi.

Ia sebelum ini ditunjukkan dalam garis isogenik C. elegans terdapat "rawak" (iaitu, tidak dikaitkan dengan faktor genetik atau alam sekitar) kebolehubahan dalam tahap ekspresi beberapa gen – peserta tindak balas kepada tekanan,lebih-lebih lagi, ia bergantung pada tahap ini, pertama, rintangan cacing menjadi terlalu panas, dan kedua – tempoh hidup mereka: individu dengan tahap pendatang yang lebih tinggi hidup lebih lama. Kita bercakap tentang, kita ingat, individu-individu yang sama secara genetik (lihat: Rea et al, 2005. Seorang wartawan yang sensitif tekanan meramalkan panjang umur dalam populasi isogenik Caenorhabditis elegans). Oleh itu, penulis secara logiknya mencadangkan bahawa perbezaan rawak dalam tahap ekspresi pendengaran dan komponen lain tindak balas kepada tekanan juga boleh memberi kesan kepada kesan fenotip mutasi berbahaya.

Untuk menguji andaian ini, cacing genetik yang serupa dengan mutasi berbahaya yang muktamad telah tertakluk kepada terlalu panas jangka pendek pada peringkat larva. Kemudian mereka dibahagikan kepada dua kumpulan bergantung kepada kekuatan tindak balas kepada tekanan, yang ditentukan oleh tahap ungkapan peserta dalam tindak balas ini – gen hsp-16.2. Ternyata di dalam cacing dengan tindak balas yang kuat terhadap stres, mutasi yang berbahaya muncul dalam fenotip kurang kerap daripada pada individu yang bertindak balas dengan tidak terlalu panas. Kekuatan tindak balas kepada stres, pada gilirannya, bergantung kepada perbezaan rawak dalam tahap ungkapan gen kejutan panas yang diamati dalam larva genetik yang serupa sebelum mereka mengalami terlalu panas.Di mana gen-gen ini pada mulanya bekerja lebih aktif – yang memberikan reaksi yang lebih kuat kepada terlalu panas.

Oleh itu, penentangan mutasi berbahaya tidak hanya bergantung pada tahap tindak balas stres yang disebabkan oleh genetik (seperti cacing + HSF-1) atau persekitaran, tetapi juga pada turun naik rawak tahap ini yang tidak bergantung kepada gen atau alam sekitar. Cacing yang serupa secara genetik mempunyai kebolehubahan rawak dalam kekuatan tindak balas mereka terhadap stres, dan individu-individu yang bertindak balas terhadap tekanan lebih aktif menerima tiga kelebihan penting sekaligus. Pertama, mereka lebih mudah bertolak ansur dengan terlalu panas, kedua, mereka hidup lebih lama, dan ketiga, mereka lebih baik dilindungi daripada mutasi yang berbahaya. Dua kelebihan pertama diketahui sebelum ini, yang ketiga mula-mula dijelaskan dalam kerja yang dibincangkan.

Persoalan semulajadi timbul: jika tindak balas yang kuat terhadap stres sangat berguna, mengapa ciri ini tetap "longgar", mengapa ia berbeza walaupun dalam individu yang sama secara genetik? Nampaknya pemilihan itu sepatutnya telah ditetapkan dalam kolam gen C. elegans Mana-mana mutasi yang memberi tahap aktiviti gen "tekanan" secara konsisten.

Pengarang mencadangkan bahawa kerana ini tidak berlaku, ini bermakna terdapat beberapa jenis helah di sini.Mungkin, aktiviti tinggi gen ini tidak diberikan oleh hadiah dan, selain manfaat, juga membawa bahaya. Eksperimen selanjutnya mengesahkan andaian ini. Ternyata cacing dengan reaksi yang lebih sengit untuk kejutan haba dicirikan oleh fecundity berkurang. Untuk jangka panjang dan penentangan terhadap mutasi yang terlalu panas dan berbahaya, cacing perlu membayar kecekapan pembiakan rendah.

Cacing C. elegans hidup dalam alam semula jadi dalam puing-puing tumbuhan dan makan pada bakteria. Keadaan di habitat mereka berubah dan tidak dapat diramalkan. Selagi keadaan tetap menggalakkan, individu yang mempunyai tahap ekspresi gen yang "tertekan" mendapat manfaat daripada kadar pembiakan yang tinggi. Apabila keadaan merosot, kelebihannya adalah pada sisi individu yang lebih berdaya tahan dengan tahap pendatang yang tinggi. Strategi terbaik dalam penetapan ini seolah-olah "tidak meletakkan semua telur dalam satu bakul". Worms meminimumkan risiko kepupusan, membolehkan sifat ini bervariasi secara meluas walaupun dalam individu yang sama secara genetik (dan micropopulations semula jadi C. elegans selalunya mempunyai kepelbagaian genetik yang rendah disebabkan oleh bilangan pengasas dan persenyawaan diri yang kecil).Tidak kira apa keadaannya, sebahagian daripada genetik yang membosankan, tetapi populasi yang berubah-ubah secara fenotip mungkin akan bertahan dan menghasilkan semula dengan jayanya.

Kajian ini menarik kerana ia menarik perhatian kepada variasi yang hampir tidak diterokai dalam kebolehubahan, yang biologi biasanya diabaikan sepenuhnya dalam teori mereka: variasi rawak, yang ditentukan bukan oleh gen dan bukan oleh alam sekitar, tetapi oleh turun naik stokastik yang tidak dapat dielakkan pada tahap molekul, termasuk tahap ekspresi gen. Adalah mungkin bahawa peranan variabilitas dalam kehidupan dan evolusi organisma adalah lebih penting daripada biasa dipercayai.

Keterlaluan jangka pendek melicinkan kecacatan keturunan dalam bulu bulu. Sama ada ia adil untuk seseorang itu belum jelas. Foto dari www.raznocvetnoe.ru

Mekanisme tindak balas reaksi terhadap kejutan haba adalah serupa pada kebanyakan haiwan. Keterbalikan tindak balas tekanan yang signifikan adalah ciri-ciri banyak organisma. Oleh itu, boleh diandaikan bahawa beberapa jenis kesan tekanan boleh melancarkan kesan mutasi berbahaya bukan sahaja dalam C. eleganstetapi juga haiwan lain.Penulis mengakui bahawa beberapa penemuan boleh digunakan untuk penyakit keturunan manusia.

Sumber: M. Olivia Casanueva, Alejandro Burga, dan Ben Lehner. Perdagangan Kecergasan dan Buffering Mutasi Terancam Alam Sekitar di Isogenik C. elegans // Sains. 2012. V. 335. P. 82-85.

Pada ketahanan yang tidak lengkap dan imuniti bunyi, lihat juga:
1) Proses penyusunan diri dalam ontogeny yang multiselular: pengalaman pemodelan imitasi, Unsur, sinopsis yang popular (Journal of Biology General, jilid 72, 2011, No. 5).
2) Pemusnahan pembangunan – jalan ke inovasi evolusi, "Unsur", 13.07.2009.
3) Keterlambatan rangkaian pengawalseliaan membuat pembangunan kuat, "Unsur", 02.22.2010.
4) Protein Hsp90 mengawal aktiviti unsur genetik mudah alih, "Unsur", 01/19/2010.
5) Apabila terdapat banyak mutasi berbahaya, mereka tidak begitu berbahaya, "Unsur", 12/06/2005.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: