Мутациите, движещи еволюцията, не са случайни, а обусловени от генома, според проучване

Ново проучване показва, че една еволюционно значима мутация в човешкия ген APOL1 възниква не случайно, а по-често там, където е необходима за предотвратяване на заболявания.

Изследването фундаментално оспорва идеята, че еволюцията се движи от случайни мутации, и свързва резултатите с нова теория, която за първи път предлага в статия, публикувана в Proceedings of the National Academy of Sciences, различна концепция за това, как възникват мутациите.

Последиците за биологията, медицината, компютърните науки и може би дори за разбирането ни за произхода на самия живот са потенциално широкообхватни.

Случайната мутация е генетична промяна, чиято вероятност за възникване не е свързана с нейната полезност. Едва след като тези предполагаеми случайности възникнат, естественият подбор ги проверява, като отделя полезното от вредното. Повече от век учените са убедени, че поредица от такива случайности се е натрупала с течение на времето, една по една, за да създаде разнообразието и великолепието на живота около нас.

Но все пак никога не е било възможно да се изследва директно дали мутациите в ДНК възникват произволно или не. Мутациите са редки събития спрямо размера на генома, а техническите ограничения са попречили на учените да видят генома достатъчно подробно, за да проследят отделните възникващи естествено мутации.

За да преодолеят това, проф. Ади Ливнат (Adi Livnat) от Университета в Хайфа, директор на лабораторията "Сагол" за еволюционни изследвания, водещият автор д-р Даниел Меламед (Daniel Melamed) и екипът им са разработили нов ултраточен метод за откриване и наскоро са го приложили към една известна HbS мутация, която предпазва от малария, но причинява сърповидно-клетъчна анемия при хомозиготни хора (индивиди, които имат два доминантни или два рецесивни генетични фактори, произлизащи от зиготи с еднакви наследствени фактори).

.Резултатите показват, че мутацията на HbS не възниква произволно, а се е появявала по-често точно в гена и популацията, където е била необходима.

Сега те съобщават за същия неслучаен модел във втора мутация с еволюционно значение.

Новото проучване изследва възникването (de novo) на мутация в човешкия ген APOL1, която предпазва от форма на трипанозомоза, заболяване, което опустошава Централна Африка в исторически план и доскоро е причинявало десетки хиляди смъртни случаи там годишно, като същевременно увеличава риска от хронично бъбречно заболяване при хора с две копия.

Ако мутацията APOL1 възниква случайно, тя би трябвало да възниква със сходна скорост във всички популации и едва след това да се разпространява под натиска на болестта трипанозомоза. Ако обаче се генерира неслучайно, всъщност може да възниква по-често там, където е полезна.

Резултатите подкрепят неслучайния модел: мутацията възниква много по-често при жителите на Субсахарска Африка, които са се сблъсквали с ендемични заболявания в продължение на поколения, в сравнение с европейците, които не са се сблъсквали, и то в точното геномно място, където тя осигурява защита.

"Новите открития оспорват фундаментално идеята за случайна мутация", заявява Ливнат.

От случайна мутация до естествено опростяване

В исторически план съществуват две основни теории за това как протича еволюцията – случайни мутации и естествен подбор, и ламаркизъм – идеята, че индивидът директно усеща средата си и по някакъв начин променя гените си, за да ѝ подхождат. Ламаркизмът не е успял да обясни еволюцията като цяло, така че биолозите са стигнали до заключението, че мутациите трябва да са случайни.

Новата теория на Ливнат се отдалечава от тези две концепции, като вместо това предлага две неразривни сили в основата на еволюцията. Докато добре познатата външна сила на естествения подбор осигурява годност, вътре в организма действа непозната досега вътрешна сила, която обединява генетична информация, натрупана през поколенията, по полезни начини.

За илюстрация, вземете мутациите чрез сливане, вид мутация, при която два преди това отделни гена се сливат, за да образуват нов ген (фюжън ген, Fusion gene). Що се отнася до всички мутации, се смяташе, че сливанията възникват случайно: един ден генът се премества погрешно на друго място и случайно се слива с друг ген, от време на време, което води до полезна адаптация.

Но екипът на Ливнат наскоро показа, че гените не се сливат произволно. А, гените, които са еволюирали, за да бъдат използвани заедно многократно в продължение на поколения, са тези, които е по-вероятно да се слеят.

Тъй като геномът се сгъва в 3D пространство, привеждайки гени, които работят заедно, на едно и също място по едно и също време в ядрото с отворен хроматин, молекулярните механизми сливат тези гени, а не други. Взаимодействие, включващо сложна регулаторна информация, която постепенно се е развивала в продължение на поколения, води до мутация, която я опростява и "вгражда" в генома.

В статията те твърдят, че сливанията са специфичен пример за по-обща и обширна вътрешна сила, която се прилага при различните видове мутации. Вместо локални инциденти, възникващи на произволни места в генома, несвързани с друга генетична информация, мутационните процеси обединяват множество смислени части от наследствена информация по много начини.

По-ранните мутации влияят върху възникването на по-късни, образувайки огромна мрежа от влияния през еволюционното време.

"Предишни проучвания са изследвали честотата на мутациите като средни стойности в различните геномни позиции, маскирайки вероятностите за отделни мутации. Но нашите проучвания показват, че в мащаба на отделните мутации всяка мутация има своя собствена вероятност и причините и последствията от мутацията са свързани", отбелязва Ливнат.

"Във всяко поколение възникват мутации въз основа на информацията, натрупана в генома до този момент, и тези, които оцеляват, стават част от тази вътрешна информация."

Този огромен набор от взаимосвързана мутационна активност постепенно се усъвършенства през поколенията върху мутации, свързани с дългосрочния натиск, което води до дългосрочни насочени мутационни реакции към специфични екологични натоварвания, като например маларията и мутациите на HbS и APOL1, защитни от трипанозома.

Новата генетична информация възниква на първо място, твърдят те, като следствие от факта, че мутациите опростяват генетичната регулация, като вграждат еволюиралите биологични взаимодействия в готови единици в генома. Тази вътрешна сила на естественото опростяване, заедно с външната сила на естествения подбор, действат в еволюционно време като комбинирани сили на пестеливост и съответствие, генерирайки кооптируеми елементи, които сами по себе си имат присъща склонност да се обединяват в нови, възникващи взаимодействия.

"Кооптируемите елементи се генерират чрез опростяване под натиск за изпълнение и след това се ангажират с възникващи взаимодействия – източникът на иновации е на системно ниво", коментира Ливнат. "Разбрана в правилния времеви мащаб, индивидуалната мутация не възниква произволно, нито пък изобретява нещо само по себе си."

Предефиниране на начина, по който работи еволюцията

Потенциалната дълбочина на еволюцията от тази нова перспектива може да се види чрез изследване на други мрежи.

Например механизмът на сливане на гени – при който гените, използвани многократно заедно през еволюционното време, е по-вероятно да се слеят чрез мутация. Това отразява мнемоничен процес, означаващ разделяне на части и групиране, "чункинг" (chunking), един от най-основните принципи на когнитивната психология и обучението, при който малки отделни части от набор от информация, които многократно се срещат заедно, в крайна сметка се обединяват в едно смислено цяло по-късно в паметта.

И все пак сливанията са само един пример за по-широк принцип: разнообразните мутационни процеси реагират на натрупаната информация в генома, комбинирайки я през поколенията в опростени инструкции. Този възглед преобразува мутациите не като изолирани случайности, а като значими събития в по-голям, дългосрочен процес.

Кредит: Daniel Melamed et al, De novo rates of a Trypanosoma -resistant mutation in two human populations, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2424538122

Източник: Mutations driving evolution are informed by the genome, not random, study suggests, University of Haifa

Още по темата

08/08/2025

Животът

Екологията позволява безкрайна еволюция

12/06/2025

Медицина

Генни редактори, транспозази и еволюция ин витро

01/04/2025

Животът

"Обичам те, не те обичам": Хидродинамиката е стимулирала еволюцията на многоклетъчния живот, твърдят учени

13/02/2025

Животът

По-малко, но повече: Нов еволюционен сценарий - от масивна загуба на гени към експанзия