Индуцирана от стрес мутагенеза и активиране на подвижни елементи Квазиламарков феномен -
Дарвин подчерта еволюционното значение на произволната, ненасочена вариация, докато еволюцията на Ламарк се основава на насочена вариация, специално причинена от фактори на околната среда. Истинската еволюция отхвърля това противопоставяне. Най-ярката илюстрация е комплексът от различни явления, които са общо известни като индуцирана от стреса мутагенеза, един от важните аспекти на която е активирането на транспонируеми елементи. Този тип феномен е описан за първи път от Барбара Макклинток, която демонстрира (в поредица от класически експерименти, които в крайна сметка й донесоха Нобелова награда) активирането на "генно скачане" в растенията под стрес и значението на тази предизвикана от стрес мобилност на отделни "контролни елементи" за появата на резистентни фенотипове (МакКлинток, 1984).
По-късно, също толкова известният и противоречив експеримент на John Cairns и колегите му за индуцирано от лактоза възстановяване на мутация в оперона Lac изведе ламарковия механизъм на еволюция до известност по грандиозен начин (Brisson, 2003; Cairns et al., 1988; Rosenberg, 2001). Кейрнс и колеги откриха значително увеличение на обръщането на рамкови мутации в Lac оперона в присъствието на лактоза и смело предположиха, че наблюдаваният ефект е класическият Ламарков механизъм на еволюция - с други думи, лактозата директно и насочено причинява мутации в Lac оперона.
Последвалите по-задълбочени изследвания, включително работата на Патриша Фостър и самия Кернс, показаха, че това не е така: стресът, по-специално отглеждането на култура с липса на хранене, наистина причинява мутации, но не и вспецифични локуси (Foster, 2000). Доказано е, че всички мутации, лежащи в основата на обръщането на Lac фенотипа и други подобни фенотипове, са индуцирани от стрес (Lac клетки, засети върху хранителна среда с лактоза като единствен източник на въглерод, изпитват стрес от глад) и не са взети от съществуващ набор от редки, спонтанни мутации.
Индуцираната от стрес мутагенеза - по-специално механизмът на мутагенно възстановяване в E. coli, известен като SOS възстановяване - е открит много преди експериментите на Кернс. Нещо повече, Мирослав Радман (Radman, 1975) и Харисън Еколс (Echols, 1981) независимо един от друг излязоха с плодотворната идея, че тази мутагенна форма на възстановяване може да бъде адаптивен механизъм на антистресовия отговор, а не просто повреда в системите за възстановяване. Две десетилетия по-нататъшни изследвания потвърдиха тази чудесна идея, в чиято истинност вече не е разумно да се съмняваме. Няколко убедителни проучвания подкрепят адаптивния характер на неточното възстановяване на ДНК (Foster, 2007; Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001).
Активността на SOS каскадата и други мутагенни възстановителни механизми в бактериите е внимателно регулирана, по-специално чрез превключване от вярно възпроизвеждане към податливо на грешки възстановяване на разкъсвания на двойна спирала под въздействието на сигма фактора на РНК полимеразата, RpoS, за да се постигне очевидно оптимална скорост на мутация. Най-важното е, че индуцираните от стрес мутации, произтичащи от предразположени към грешки възстановителни процеси, макар и да не са насочени към конкретни гени, не са произволно разпръснати в генома. Напротив, тези мутации са концентрирани около двуверижни разкъсвания на ДНК, които са причинени от различни стресови фактори и привличат апаратамутагенен ремонт.
Мутагенното възстановяване може да е възникнало като специфичен адаптивен механизъм, който позволява координирана еволюция на групи от функционално свързани гени (ключова характеристика на геномната архитектура в прокариотите) в тези редки клетки, където възникват полезни мутации, като същевременно ограничава увреждането на други части на генома. Индуцирана от стрес мутагенеза, по-специално активиране на ретротранспозон, също е демонстрирана при дрожди и животни, което предполага, че този адаптивен еволюционен път е универсален за клетъчните форми на живот.
Поне сред бактериите предизвиканата от стрес мутагенеза не е рядка или екзотична, а изключително често срещана. Сред стотиците изследвани естествени щамове,E. Индуцираната от Coliмутагенеза е характерна за повече от 80 процента от стареещите колонии и излишъкът от предизвикани от стрес мутации спрямо конститутивните мутации варира с няколко порядъка (Bjedov et al., 2003).
Трябва да се отбележи, че предизвиканата от стрес и очевидно адаптивна нестабилност на генома също е в основата на рака. Добре известно е, че туморите се развиват (еволюират) в условия на постоянен кислороден стрес, което причинява обширни геномни пренареждания и мутации. Основно благодарение на тези промени, предизвикани от стрес, оцеляват мутанти, способни на неконтролиран растеж при стрес. Въпреки разликите в специфичните механизми на мутагенното възстановяване и неговото регулиране, злокачествените тумори при животни (включително хора) по принцип не са толкова различни от бактериалната популация, която се развива при стресови условия.
Адаптивната еволюция в резултат на индуцирана от стрес мутагенеза не е строго ламаркианска, тъй катостресът не причинява мутации директно и изключително в гените, отговорни за устойчивостта към този стрес. Вместо това, организмите са развили механизми, които предизвикват неспецифична мутагенеза в отговор на стрес. Този процес обаче изглежда е фино настроен, за да минимизира щетите от вредни мутации в онези редки геноми, които съдържат полезна мутация. Механизми от този тип най-добре се определят като квазиламаркови. Наистина, в случай на индуцирана от стрес мутагенеза, трябва да се вземе предвид следното:
1. Условията на околната среда водят до появата на мутации.
2. В резултат на индуцирани мутации възниква адаптация към стресови фактори, предизвикали мутагенеза.
3. Мутагенното възстановяване се контролира от сложни регулаторни механизми, което не оставя съмнение за адаптивния характер на този процес.
Съществува пряка връзка между аспекта на Ламарк на индуцираната от стрес мутагенеза и хоризонталния трансфер, който се проявява във феномена на трансфер на детерминанти на резистентност, индуцирани от антибиотици. Много антибиотици предизвикват SOS отговор, който от своя страна води до мобилизиране на интегративни елементи на конюгация, които служат като носители на гени за антибиотична резистентност (Barriss et al., 2009). Аналогията с APG е очевидна и абсолютно уместна. Тук наблюдаваме конвергенцията на различни механизми на промяна на генома в ламарковия модалност на еволюцията.
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката: