Forskere udforsker mysterier bag mangfoldigheden af ​​DNA-sammensætning blandt arter

For at gøre det ikoniske, snoet dobbeltspiral, der står for livets mangfoldighed, DNA-regler angiver, at G altid parrer med C, og A med T.

Men, når det hele er lagt sammen, mængden af ​​G+C vs A+T indhold blandt arter er ikke en simpel fast procentdel eller, standard en-til-en-forhold.

For eksempel, i encellede organismer, mængden af ​​G+C-indhold kan variere fra 72 procent i en bakterie som Streptomyces coelicolor, mens den protozoiske parasit, der forårsager malaria, Plasmondium falciparum, har så lidt som 20 pct.

Hos encellede eukaryoter, gær indeholder 38 procent G+C indhold, planter som majs har 47 pct. og mennesker indeholder omkring 41 pct.

Det store spørgsmål er, hvorfor?

"Dette har været et af de langvarige problemer i genomudviklingen, og tidligere forsøg på at forklare det har involveret betydelige armbevægelser, " sagde Michael Lynch, som leder et nyt Center for Mechanisms of Evolution ved Arizona State University's Biodesign Institute.

Er der noget i selve DNA's kemiske natur, der favoriserer det ene nukleotid frem for det andet, eller varierer mutationstrykkets skævhed, og i så fald hvorfor skulle det være anderledes mellem arter?

"I mangel af centrale observationer om mutationsprocessen, der har været en kamp for at forstå, hvad mekanismen er, " sagde Lynch.

Michael Lynchs gruppe har nu eksperimentelt demonstreret, at G+C-sammensætning generelt er stærkt begunstiget, hvorimod dette ofte modarbejdes af mutationstryk af forskellige styrker i den modsatte retning.

"Gennemsnitlig, naturlig udvælgelse eller en anden faktor (muligvis forbundet med rekombinationelle kræfter) favoriserer G+C-indhold, uanset klassen af ​​DNA, størrelsen af ​​en arts genom, eller hvor arten findes på livets evolutionære træ, " sagde Lynch.

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturens økologi og evolution .

At fejle er universelt

Drivkraft for evolution er DNA-mutationer, fejl i genomet, der introduceres og videregives til næste generation, så over tid, giver brændstof til opfindelsen af ​​nye tilpasninger eller egenskaber.

For at komme til sagens kerne, forskerne ønskede en måde at kvantificere hele spektret af DNA-mutationer i laboratoriet på tværs af en lang række arter.

Dette kan nu delvist gøres ved hjælp af nye teknologier for at gøre DNA-sekventering hurtigere og billigere. Det har givet næring til en guldalder af evolutionær eksperimentel biologi.

"Vi startede med viden om det mutationsspektrum, der forekommer på genomniveau i omkring 40 arter, der blev undersøgt i mit laboratorium, " sagde Lynch. "Du kan bruge sådan information til at beregne, hvad GC-sammensætningen ville være i fravær af valg. Og så kan vi sammenligne denne nul-forventning med det faktiske genomindhold, forskellen skyldes udvælgelse."

I et tour de force eksperiment, der er den største undersøgelse til dato, de undersøgte hver enkelt DNA-mutation på tværs af forskellige arter, sekventering af milliarder af DNA-kemiske baser.

"Dette repræsenterede en meget betydelig arbejdsbyrde, indsats og omkostninger, der var nødvendige for at teste forskellige evolutionære modeller med høj statistisk kraft, " sagde Hongan Long, en postdoc-forsker, der ledede forsøgene.

De udnyttede også en analyse af 25 aktuelle datasæt af mutationer og 12 nye mutation-akkumulation (MA) eksperimenter (mange fra deres eget laboratorium), inklusive bakterier og en menageri af flercellede organismer, herunder gær, orme, banan fluer, chimpanser og mennesker.

Under hvert MA eksperiment, de udførte fuldstændig genomsekventering af omkring 50 forskellige bakterielinier, der var blevet passeret gennem alvorlige, enkeltcellede flaskehalse for tusindvis af celledelinger.

"Denne enkeltcelle passage af hver linje fungerer som et filter, eliminering af naturlig selektions evne til at modificere akkumuleringen af ​​alle undtagen de mest alvorlige og skadelige mutationer, giver os et effektivt objektivt syn på mutationsprocessen, " sagde Long.

Med hver generation, de målte omhyggeligt mutationshastigheden, eller hver forekomst af, når blot et enkelt DNA-bogstav ændres.

Dette kan ske på to måder:et enkelt G- eller C-DNA-basepar bliver omdannet til A+T-retningen; eller det modsatte kan ske, med en A- eller T-base, der skifter i G+C-retningen.

Efter alt tal- og dataknas, et slående mønster opstod mellem G+C-indhold og forventningerne baseret på DNA-mutationer.

"Det viser sig, de hænger sammen, " sagde Lynch.. "G+C-sammensætningen er altid højere end du forventer, baseret på neutralitet. Det fortæller os, at der er et gennemgående udvalg. Så mutation driver det overordnede mønster, men selektion for G'er og C'er over A'er og T'er booster genomindholdet over den neutrale mutationsforventning.

Dette ser ud til at være næsten universelt sandt."

Slutningen af ​​begyndelsen

Nu hvor de har vist G+C-sammensætningskorrelationen, det har åbnet døren for mange flere spørgsmål, og svar, der forbliver uhåndgribelige.

"Et spørgsmål er, "hvorfor ændrer mutationsspektret sig så dramatisk på tværs af arter"?" spurgte Lynch. "Arter har ikke det samme mutationsspektrum. Der er arter, hvis mutationsprofiler er mere AT-rige og andre mere GC-rige. Vi kender stadig ikke mekanismerne bag en sådan divergens i mutationsspektret."

De kan skyldes simple forskelle i kemi og biofysik.

En generel kraft, der kan være relevant, er DNA-stabilitet, drevet af DNA-bogstavernes kemi. De kræfter, der holder DNA-stigen intakt, kaldes hydrogenbindinger. G:C-par involverer tre hydrogenbindinger, hvorimod, A:T-par involverer kun to.

"Den fremherskende tanke er, at mere G:C-indhold bidrager til genomets stabilitet, " sagde Lynch.

En anden mulighed er under reproduktion, når DNA-strengene flettes sammen fra hver forælder for at danne et befrugtet æg, uoverensstemmelser kan forekomme i baseparringen, fører til fejl, som DNA-korrekturlæsningsenzymer skal rette senere. Sommetider, et G kan ændres til et A, eller et T bliver et C, konvertere gener under denne mismatch reparationsproces.

"Det menes generelt at være partisk over for G'er og C'er, " sagde Lynch.

Nu, med deres eksperimentelle opsætning på plads, Lynchs team er klar til yderligere at udforske evolutionens mekanismer og grundlæggende kræfter bag dette store mysterium.