Биологи научились следить за рождением мутаций

Бригада ДНК-ремонтников подсказала ученым, как отследить новые мутации в главной молекуле организма. Правда, действовать пришлось быстро -- система либо восстанавливается, либо закрепляет измененный вид.

Мутации -- это не только патологические изменения в геноме, но и закрепившиеся на молекулярном уровне определенные, как правило, приспособительные признаки. Хотим мы того или нет, но весь наш геном -- набор мутаций, приведший за миллиарды лет к формированию Homo sapiens. Так как в процессе формирования половых клеток родительская ДНК претерпевает значительные изменения, то и каждая особь по своей молекулярной сути мутант. Просто такие изменения обычно не приводят к кардинальным отличиям особи от представителей своего вида, а ограничиваются небольшой разницей в росте, цвете глаз, кожи и так далее.

Мутации видны не сразу

Несмотря на распространенность мутаций, ученые фиксируют появление того или иного кардинального изменения постфактум. Выявление эволюционно значимых мутаций происходит на основе филогенетического анализа. То есть ученые буквально сравнивают нуклеотидные последовательности человека и других животных. Найденные изменения и есть закрепившиеся мутации. Как правило, эволюционно закрепившиеся изменения наделяют животных какими-либо приспособлениями, дающими преимущество перед сородичами. Собственно, поэтому они и закрепляются.

Медицинские генетики выискивают патологические мутации. Они описывают изменения в последовательностях нуклеотидов, вызывающие как врожденные, так и приобретенные заболевания.

Поиски новорожденной мутации

До сих пор в арсенале исследователей не было доступного метода, который бы позволил зафиксировать мутацию в момент ее рождения. Коллектив биологов из Франции, Китая и Англии под руководством Марины Элез (Marina Elez) из Университета Декарта в Париже (Paris Descartes University) разработал и испытал метод, который позволяет видеть новорожденную мутацию. Ученые работали с кишечной палочкой (Escherichia coli).

Для поиска новых повреждений ДНК исследователи использовали собственный белковый механизм клетки, который залечивает или убивает неправильную нуклеиновую кислоту. Ученым известно, что «бригада ремонтников» состоит из стабильных, достаточно консервативных белков. Это означает, что репаративная система работает примерно одинаково во всех живых организмах. Один из белков этого сложного механизма -- MutS. В клетках энтеробактерий он связывается с поврежденным участком нуклеиновой кислоты и последовательно заставляет работать других участников -- белки MutL и MutH. В конечном итоге цепная молекулярная реакция приводит к тому, что эндонуклеаза вырезает мутированный участок ДНК. Белок MutH отличает дочернюю цепочку ДНК от материнской по неметилированному концу, который сохраняется в течение нескольких минут после репликации ДНК. После того как у дочерней цепочки ДНК появляется метилированный конец, MutH перестает понимать, какая из цепочек эталонная. Поэтому все мутации, которые эндонуклеаза не успела вырезать до того, как дочерняя ДНК приобрела метелированный конец, остаются в геноме.

Оно светится

Для обнаружения новорожденных мутаций ученые использовали белки MutL и MutS, отмеченные флуоресцирующими метками. Биохимический анализ показал, что появление неправильной нуклеиновой последовательности вызывает ответную клеточную реакцию -- скопление «ремонтирующих» молекул. Поэтому даже небольшая перестановка в ДНК давала о себе знать -- репаративные белки начинали светиться.

Ученые отмечают, что в результате эксперимента они выделили один индикаторный белок -- MutL. Именно по нему исследователям удалось заметить закрепившиеся в геноме мутации. В статье исследователи пишут, что таким способом можно определить появление большинства, но не всех мутаций. Ведь использованные белки работают только во время репликации ДНК.

С помощью описанного метода ученым удалось посчитать скорость возникновения мутаций. Исследователи пришли к выводу, что все клетки в популяции кишечной палочки мутировали примерно с одинаковой интенсивностью.

В эукариотических клетках работают белки, похожие на MutL и MutS, а вот белок, схожий с MutH, ученые так и не обнаружили. Более того, в эукариотической клетке нет системы, распознающей метилированную и неметилированную ДНК. Поэтому ученые возлагают надежды на описанный метод, но пока думают над тем, как доработать апробированный метод и подстроить его под эукариотов.

Результаты эксперимента появились в статье Seeing mutations in living cells в журнале Current Biology.