Sporing af et netværk på 100.000 mutanter

Det, der fundamentalt adskiller et menneske fra alle andre levende væsener, kommer ned til forskelle i DNA-sekvenser - et sæt genetisk nedarvede molekyler, der findes i hver celle i hver organisme. Disse forskelle er akkumuleret over millioner af år, hovedsageligt via tilfældige mutationer - dybest set fejl i, hvordan DNA'et blev kopieret. De fleste af disse mutationer påvirker organismen negativt og vil sandsynligvis resultere i, at den dør, før den har en chance for at formere sig. Nogle vil dog positivt eller neutralt påvirke organismen og spredes gennem befolkningen. Disse fejl i DNA-sekvenser har resulteret i den mangfoldighed af liv, vi ser rundt om i verden i dag. Men mange aspekter af, hvordan disse mutationer kan øge konditionen, er stadig dårligt forstået.

"Vi har for første gang formået eksperimentelt at vise et koncept om mutation og evolution, som tidligere kun har været teoretisk prædikeret," siger prof. Yohei Yokobayashi, der leder til Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit ved Okinawa Institute of Science og Technology Graduate University (OIST). "Det kaldes et neutralt netværk, og det menes at være afgørende for at øge mangfoldigheden i en befolkning." Denne forskning blev offentliggjort i Nature Communications .

Gener, der består af DNA-basepar, indeholder de instruktioner, der er nødvendige for at skabe proteiner, og fører til korrekt pleje og vedligeholdelse af en celle. For at instruktionerne kan udføres, skal DNA'et først transskriberes til RNA. Således er RNA som en afspejling af DNA.

Der er fire standardbasepar for RNA og DNA. For RNA er disse A, G, C og U. Prof. Yokobayashi forklarede konceptet med et neutralt netværk ved at give et eksempel på en forenklet sekvens af RNA-baser.

"Sig, RNA-sekvensen AAAAAAA muterer til AAAUAAA, som derefter muterer til GAAUAAA. Den første variant er forbundet med den anden, som er forbundet med den tredje ved blot én enkelt mutation. Hvis disse mutationer opretholder den samme fitness, kan organismen muligvis overleve, og mutationen kan blive nedarvet af fremtidige generationer. Dette øger den overordnede mangfoldighed, og diversitet er afgørende for, at en art kan tilpasse sig ændringer i miljøet."

Et neutralt netværk er en hel serie af basesekvenser ligesom denne (omend meget længere), hvor hver ny sekvens, der kun adskiller sig med én base, har nogenlunde samme kondition som den før og efter. Forskere har haft mistanke om deres eksistens i nogen tid, men de er meget svære at bevise eksperimentelt. Oprindeligt blev det forudsat, at alle RNA-sekvensrum skulle have mulighed for at rumme et stort neutralt netværk, men ingen har nogensinde fundet disse store neutrale netværk i praksis.

I denne undersøgelse så forskerne på en type RNA kaldet et ligase ribozym, som tidligere var blevet syntetiseret, men som ikke var kendt for at udgøre et neutralt netværk. De valgte dette ribozym, da dets funktion er at forbinde eller ligere to stykker RNA sammen. Denne rolle har vigtige implikationer for livets oprindelse, da den er afgørende for selvreplikation.

Hele ribozymet har omkring 80 basepar, men forskerne fokuserede på et område på 35 basepar, der er vigtigt for ribozymets funktion og dermed for at måle dets generelle kondition.

Gennem beregningssekvensdesign hjulpet af en evolutionær algoritme og dyb læring, designede forskerne mange mutanter af dette ribozym og bestemte eksperimentelt deres kondition. De endte med at teste mere end 120.000 varianter og var i stand til at øge andelen af ​​neutrale varianter i den designede befolkning fra omkring 10 % til næsten 90 %.

De valgte derefter en af ​​de varianter, som de havde identificeret. Dette adskilte sig fra det originale ribozym med 16 mutationer. De screenede alle de forskellige veje, der kunne være taget for at komme fra det originale ribozym til den nye variant, én mutation ad gangen i 16 trin, og fandt 65.536 forskellige varianter, hvoraf 60 % var funktionelle.

Forskerne så derefter på stierne, der kun indeholdt funktionelle mutationer og fandt ud af, at 10 % af stierne var tilgængelige.

"Det er ret højt," sagde ph.d. kandidat og førsteforfatter, Rachapun Rotrattanadumrong. "Andet eksperimentelt arbejde har aldrig fundet et så stort antal tilgængelige veje mellem to varianter."

Forskerne understregede, at dette eksperimentelle bevis på et neutralt netværk har vist, at det er muligt for neutrale netværk at dannes i et RNA-sekvensrum, dog ikke så omfattende, som det teoretiske arbejde ville have dem til at tro. Et andet interessant spørgsmål kan involvere at se på, hvilke egenskaber der skal til for at denne form for netværk kan dannes.

"Dette arbejde vil give folk mulighed for eksperimentelt at teste mange hypoteser," fortsatte Rotrattanadumrong. "Vi har leveret det første eksperimentelle datasæt af et neutralt netværk. Det vil give forskere mulighed for at besvare spørgsmål om, hvordan RNA udviklede sig og fortsætter med at udvikle sig." + Udforsk yderligere

Undersøgelse af RNA-funktion med 10.000 mutanter