Wissenschaftler erforschen Geheimnisse hinter der Vielfalt der DNA-Zusammensetzung unter den Arten

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Anonim

Um die ikonische, verdrehte Doppelhelix zu erstellen, die für die Vielfalt des Lebens verantwortlich ist, legen die DNA-Regeln fest, dass G immer mit C und A mit T paart.

Aber wenn alles zusammengerechnet wird, ist die Menge an G + C gegen A + T-Gehalt unter den Arten nicht ein einfacher fester Prozentsatz oder ein Standard-Eins-zu-Eins-Verhältnis.

Zum Beispiel kann innerhalb einzelliger Organismen die Menge an G + C-Gehalt von 72 Prozent in einem Bakterium wie Streptomyces coelicolor variieren, während der Protozoen-Parasit, der Malaria verursacht, Plasmondium falciparum, nur 20 Prozent aufweist.

In einzelligen Eukaryoten enthalten Hefen 38 Prozent G + C-Gehalt, Pflanzen wie Mais 47 Prozent und Menschen etwa 41 Prozent.

Die große Frage ist, warum?

"Dies ist eines der langanhaltenden Probleme in der Genom-Evolution, und frühere Versuche, es zu erklären, waren mit erheblichem Arm-Winken verbunden", sagte Michael Lynch, der am Biodesign Institute der Arizona State University ein neues Zentrum für Mechanismen der Evolution leitet.

Gibt es etwas innerhalb der chemischen Natur der DNA selbst, das ein Nukleotid gegenüber dem anderen bevorzugt, oder variiert die Tendenz des Mutationsdrucks, und wenn ja, warum würde dies unter den Spezies unterschiedlich sein?

"In Ermangelung von Schlüsselbeobachtungen zum Mutationsprozess gab es einen Kampf, um herauszufinden, was der Mechanismus ist", sagte Lynch.

Michael Lynchs Gruppe hat jetzt experimentell gezeigt, dass die G + C-Zusammensetzung im Allgemeinen stark bevorzugt ist, während dies oft durch den Druck der verschiedenen Stärken in der entgegengesetzten Richtung entgegengesetzt wird.

"Im Durchschnitt begünstigt die natürliche Selektion oder ein anderer Faktor (möglicherweise in Verbindung mit Rekombinationskräften) den G + C-Gehalt, unabhängig von der Klasse der DNA, der Größe des Genoms einer Spezies oder wo sich die Spezies auf dem Entwicklungsbaum des Lebens befindet. sagte Lynch.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Ecology and Evolution veröffentlicht.

Irren ist universal

Treibende Evolution sind DNA-Mutationen, Fehler im Genom, die eingeführt und an die nächste Generation weitergegeben werden, so dass im Laufe der Zeit der Treibstoff für die Erfindung neuer Anpassungen oder Merkmale zur Verfügung steht.

Um auf das Wesentliche zu kommen, wollten die Wissenschaftler einen Weg, das gesamte Spektrum der DNA-Mutationen im Labor über eine große Bandbreite von Spezies hinweg zu quantifizieren.

Dies kann nun teilweise durch neue Technologien erreicht werden, um die DNA-Sequenzierung schneller und kostengünstiger zu machen. Es hat ein goldenes Zeitalter der evolutionären experimentellen Biologie angefacht.

"Wir begannen mit dem Wissen über das Mutationsspektrum, das auf dem Genomebene in etwa 40 Arten in meinem Labor untersucht", sagte Lynch. "Sie können solche Informationen verwenden, um zu berechnen, wie die GC-Zusammensetzung ohne Selektion aussehen würde. Und dann können wir diese Null-Erwartung mit dem tatsächlichen Genomgehalt vergleichen, wobei der Unterschied auf der Selektion beruht."

In einem Tour-of-Force-Experiment, das bisher die größte Erhebung war, untersuchten sie jede einzelne DNA-Mutation über verschiedene Arten und sequenzierten Milliarden von chemischen Basen.

"Dies stellte eine erhebliche Arbeitsbelastung, Anstrengung und Kosten dar, die notwendig waren, um verschiedene evolutionäre Modelle mit hoher statistischer Aussagekraft zu testen", sagte Hongan Long, ein Postdoktorand, der die Experimente leitete.

Sie nutzten auch eine Analyse von 25 aktuellen Mutationsdatensätzen und 12 neuen Mutationsakkumulationsexperimenten (viele aus ihrem eigenen Labor), einschließlich Bakterien und einer Menagerie multizellulärer Organismen, einschließlich Hefen, Würmern, Fruchtfliegen, Schimpansen und Menschen.

Während jedes MA-Experiments führten sie eine vollständige Genomsequenzierung von etwa 50 verschiedenen bakteriellen Linien durch, die durch schwere einzellige Engpässe für Tausende von Zellteilungen passagiert worden waren.

"Diese einzellige Passage jeder Linie wirkt wie ein Filter, der die Fähigkeit der natürlichen Selektion eliminiert, die Akkumulation aller bis auf die schwerwiegendsten und schädlichsten Mutationen zu modifizieren, was uns eine effektiv unvoreingenommene Sicht auf den Mutationsprozess gibt", sagte Long.

Mit jeder Generation haben sie sorgfältig die Mutationsrate gemessen oder jedes Mal, wenn nur ein einzelner DNA-Buchstabe geändert wird.

Dies kann auf zwei Arten geschehen: ein einzelnes G- oder C-DNA-Basenpaar wird in die A + T-Richtung umgewandelt; oder das Gegenteil kann passieren, wenn eine A- oder T-Basis in die G + C-Richtung schaltet.

Nach der ganzen Zahlen- und Datenverarbeitung entstand ein auffälliges Muster zwischen dem G + C-Gehalt und den Erwartungen, die auf DNA-Mutationen beruhen.

"Es stellt sich heraus, sie sind korreliert", sagte Lynch.. "Die G + C Zusammensetzung ist immer höher als Sie erwarten, basierend auf Neutralität. Das sagt uns, dass es eine durchgreifende Auswahl gibt. So Mutation treibt das Gesamtmuster, aber Auswahl für G's und C's über A's und T's erhöhen den Genomgehalt oberhalb der neutralen Mutationserwartung.

Dies scheint fast allgemein wahr zu sein. "

Das Ende vom Anfang

Jetzt, da sie die Wechselbeziehung der G + C-Zusammensetzung aufgezeigt haben, hat dies die Tür zu vielen weiteren Fragen und Antworten geöffnet, die noch immer schwer zu verstehen sind.

"Eine Frage ist, warum ändert sich das Mutationsspektrum so dramatisch über die Spezies hinweg"? fragte Lynch. "Spezies haben nicht das gleiche Mutationsspektrum. Es gibt Arten, deren Mutationsprofile mehr AT-reich und andere GC-reicher sind. Wir kennen noch immer nicht die Mechanismen, die hinter einer solchen Divergenz im Mutationsspektrum stehen."

Sie können auf einfache Unterschiede in der Chemie und Biophysik zurückzuführen sein.

Eine allgemeine Kraft, die von Bedeutung sein könnte, ist die DNA-Stabilität, die von der Chemie der DNA-Buchstaben bestimmt wird. Die Kräfte, die die DNA-Leiter intakt halten, heißen Wasserstoffbrücken. G: C-Paare umfassen drei Wasserstoffbindungen, während A: T-Paare nur zwei enthalten.

"Der vorherrschende Gedanke ist, dass mehr G: C-Gehalt zur Genomstabilität beiträgt", sagte Lynch.

Eine andere Möglichkeit besteht während der Reproduktion, wenn die DNA-Stränge von jedem Elternteil ineinandergreifen, um ein befruchtetes Ei zu bilden, können Fehlpaarungen in der Basenpaarung auftreten, was zu Fehlern führt, die DNA-Korrekturlese-Enzyme später zu beheben haben. Manchmal kann ein G in ein A umgewandelt werden, oder ein T wird zu einem C, das während dieses Mismatch-Reparaturprozesses Gene umwandelt.

"Man geht allgemein davon aus, dass sie gegenüber Gs und Cs voreingenommen sind", sagte Lynch.

Nun, mit ihrem experimentellen Setup, ist Lynchs Team bereit, die Mechanismen der Evolution und die fundamentalen Kräfte hinter diesem großen Geheimnis weiter zu erforschen.

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