Mere komplekse biologiske systemer udvikler sig mere frit

Vores gener (alias genotypen) bestemmer vores karakteristika (aka. fænotypen). Evolution virker på ændringer i fænotypen, som opstår, når mutationer ændrer den underliggende genotype. Men hvilke ændringer af fænotypen, der kan frembringes af mutationer, er ikke uden grænser - myrer kan ikke pludselig vokse snabel eller blive på størrelse med en elefant. Forskere ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig (IST Østrig) fandt, at i et genreguleringssystem i bakterien Escherichia coli, jo flere komponenter der er muteret, jo mere frit kan systemet udvikle sig. Dette er resultatet af en undersøgelse offentliggjort af et hold ledet af Calin Guet, Jonathan Bollback, og førsteforfatter Mato Lagator i eLife .

Virkningerne af mutationer definerer, hvordan et system kan ændre sig. Men i et system af flere komponenter, der regulerer genekspression, hvad sker der, når flere komponenter er muteret? Har systemet færre muligheder for ændringer, eller mere? Forskerne studerede dette spørgsmål i et lille genreguleringssystem i E. coli, der består af to komponenter:For det første, en transskriptionsfaktor, som er et protein, der styrer hastigheden af ​​transskription af genetisk information fra DNA til RNA. Sekund, dets bindingssted på DNA'et, hvor transkriptionsfaktoren binder for at starte transkription. I dette studie, forskerne så på, hvad der sker, når de muterer hver komponent for sig, og når de muterer begge komponenter på samme tid.

Lidt kontraintuitivt, de fandt ud af, at systemets udvikling er mindre begrænset, når flere komponenter er muteret. "I skarp kontrast til, hvad jeg antog, før jeg udførte eksperimenterne, hvis vi muterer flere komponenter, systemet kan udvikle sig mere frit. Dette kom som noget af en overraskelse for mig!" siger førsteforfatter Mato Lagator. Holdet så på, hvorfor systemet kan udvikle sig i flere retninger sammenlignet med dets individuelle komponenter.

De fandt ud af, at systemet udvikler sig mere frit, fordi mutationer i de to komponenter interagerer med hinanden, et fænomen de kalder "intermolekylær epistase". Mato Lagator forklarer dens betydning:"Epistase betyder, at en plus en ikke er lig med to, men tre eller nul. Genetisk set, en punktmutation ændrer transkriptionsfaktoren, så fænotypen af ​​vores genreguleringssystem ændres med X, og den anden punktmutation ændrer bindingsstedet, så fænotypen ændres med Y. Nu, når begge mutationer forekommer sammen, fænotypen er ikke blot X+Y, det er anderledes." Det betyder, at mutationer interagerer, giver hele systemet mere frihed til at ændre og udvikle sig.

Indtil nu, vores forståelse af epistase har for det meste været beskrivende, men hvordan de eksisterende molekylære mekanismer definerer epistasemønstrene er ikke blevet forstået. I dette studie, forskerne giver en mekanistisk forståelse af, hvordan mutationerne i to forskellige molekyler interagerer, forklarer Mato Lagator. "Mest spændende, vi viser, at - i dette genregulerende system - stammer det meste af epistasen fra systemets genetiske struktur. Denne struktur bestemmer, hvordan mutationerne interagerer med hinanden."