Mutace a evoluční změny
Mutace a evoluční změny
Bodové mutace
Darwinova evoluční teorie je založena na principu přírodního výběru ze spontánní dědičné variability fenotypů. V neodarwinistickém pojetí je vznik této variability důsledkem akumulace náhodných drobných mutací.
Průměrná rychlost vzniku mutací jako spontánního replikačního šumu odpovídá v případě E. coli přibližně 10-3 mutacím na genom a generaci, tedy přibližně 10-10 mutacím na jeden pár bází (nebo 10-7 na gen) a jednu replikaci genomu. Podobně u bakteriálních virů E. coli, bakteriofágů λ a T4, je celková mutační rychlost v řádu 10-3 (10-8 / pár bází a replikaci). V případě eukaryontního genomu, např. genomu octomilky (Drosophila melanogaster), se odhaduje, že průměrná rychlost vzniku replikačních chyb je pro různé lokusy v rozmezí 10-10 - 10-11 na jeden pár bází a jednu replikaci. Odhad těchto hodnot ovšem odpovídá podmínkám, kdy v buňkách působí genetické opravné procesy (replikační „proof-reading“), které opraví většinu replikačních chyb. V případě prapůvodních primitivních replikátorů byly hodnoty mutačního šumu nepochybně mnohem vyšší a v důsledcích limitovaly i velikost genomů.
Evolučním reliktem je patrně enzym primáza, který při replikaci DNA a polymeraci zpožďujícího se řetězce kopíruje sekvence templátu do RNA Okazakiho fragmentů (replikačních primerů). Tato etapa replikace je zdrojem vysoké hladiny mutačního šumu, který musí být v zápětí opraven spolehlivou („high-fidelity) DNA polymerázou.
Genetikům i darwinistům první poloviny 20. století připadalo samozřejmé, že jednotlivé mutace jsou v genech rozptýleny náhodně. Dnes ale víme, že frekvenci i distribuci genetických změn ovlivňuje lokální struktura genomu a, jak dále uvidíme, vnitřní omezení daná funkční integritou organismu.
Komplementarita vláken dvouzávitnice DNA je výsledkem specifických interakcí bází, které zprostředkují vodíkové vazby. Páry čtyř základních bází DNA mohou existovat ve 12 možných substitucích. Bodové mutace (mutace postihující jen jeden nukleotidový pár) rozdělil E. Freese (1959) podle typu a mechanizmu vzniku do dvou kategorií, na tranzice a transverze. Důsledkem přesunu protonů v rámci dané báze nebo v důsledku ionizace báze může dojít k její tautomerizaci. Tím se změní i podmínky pro tvorbu vodíkových můstků. Vznikají tak možnosti nekanonického párování adeninu s cytosinem a guaninu a thyminem. Tímto způsobem vznikají čtyři typy tranzic při zachování původního párování purinů s pyrimidiny.
Výskyt tranzic není náhodný. Pravděpodobnost tautomerie pro vznik páru A-C je jiná než pro vznik páru G-T, protože závisí na lokálních kvantových stavech, specifických pro každou z bází. Faktorem ovlivňujícím tautomerizaci může být integrace neobvyklé báze (např. bromuracilu místo thyminu s chybným párováním BrU-G), působení chemických mutagenů (např. deaminace 5-metylcytosinu v tymin, nebo deaminace adeninu v hypoxantin), či ionizace způsobená absorpcí kvanta záření. Příčinou osmi r
ůzných transverzí je chybné párování purin-purin nebo pyrimidin-pyrimidin. Tím dojde k „obrácení“ páru tak, že purin je zaměněn pyrimidinem a naopak. Vznik transverzí nelze snadno zobrazit jednotným mechanizmem jako v případě tranzic. K transverzím může dojít chybným párováním základních bází, chybným párováním s neobvyklou nebo chemicky modifikovanou bází, v důsledku ztráty báze, např. depurinací DNA nebo deaminační konverzí cytosinu v uracil s následnou jeho excisí uracil-N-glykosylasou (kdy se zvyšuje pravděpodobnost transverze C-G > A-T nebo G-C). Rozložení transverzí, podobně jako rozložení tranzic, je v genomu nenáhodné.
Na úrovni DNA existuje řada dalších nenáhodných vlivů, které mohou ovlivnit rozložení mutací. Příkladem může být deaminace 5-metylcytosinu v thymin. V genomech se totiž vedle cytosinu často vyskytuje i jeho metylovaná modifikace, 5-methylcytosin (5-MeC; u obratlovců v dinukleotidech CG, u rostlin i v tripletech typu CXG). Rozložení 5-MeC v genomech je však samo o sobě nenáhodné, souvisí s regulací funkce některých genů a s lokálním uspořádáním DNA do vyšších struktur; proto i výskyt T, vznikajícího konverzí 5-MeC > T, je nenáhodný. Můžeme tedy shrnout: již na základní úrovni, kterou je sekvence bází v DNA, se distribuce mutací neřídí statistikou náhodných jevů jak předpokládá neodarvinistické schéma.
Až dosud jsme uvažovali mutace bází DNA jen z chemického hlediska, tj. bez ohledu na sémantický význam jejích částí. Nyní budeme uvažovat vliv těch faktorů, které rozhodují o stabilitě a funkčnosti biologického systému jako celku, vycházejíce z vlastností tripletového genetického kódu. Genetický kód je d
egenerovaný (redundantní), 64 ( = 43 ) možným tripletovým kodonům odpovídá 61 kodonů pro 20 aminokyselin a tři tzv. terminační triplety (UAA, UAG, UGA). Je tedy zřejmé že se mutace v jednotlivých kodonech budou lišit konečným účinkem, v závislosti na poloze a významu kodonu. Mutace, které změní kodon pro některou z aminokyselin (např. UAC pro tyrosin) v terminační kodon (zde transverze UAC -> UAA, nebo UAC -> UAG) mají zpravidla fatální důsledky, protože nedovolují dokončit syntézu funkční bílkoviny, tj. zcela zruší smysl genetické zprávy; jsou proto nazývány nesmyslnými (nonsense) mutacemi. Většina mutací sice smysl zprávy nezruší, ale změní její obsah; důsledkem jsou více nebo méně přijatelné záměny aminokyselin v molekule bílkoviny (missense). Jiné mutace, zaměňující kodony v rámci redundance genetického kódu, záměny aminokyselin nevyvolají, mohou však výrazně ovlivnit účinnost syntézy dané bílkoviny na úrovni výběru alternativní t-RNA. Mutace v genech pro t-RNA, i když přímo nepostihují kodony, mohou způsobit jejich nejednoznačnou interpretaci. Vidíme, že vlastnosti genetického kódu se zpětnou vazbou, kterou je životaschopnost organizmu, připustí pouze některá rozložení mutací v genech. Důsledky mutací z hlediska selekce mohou být pozitivní a podporující adaptaci, negativní a tedy kontraselektovatelné nebo (dočasně) neutrální, skryté (silent) v genomu a genovém poolu.
Reálné hodnoty frekvence mutací se významně liší od výše uvedených průměrných hodnot v závislosti na místě v genomu a mohou se ve dvou sousedních lokusech lišit o několik řádů. Názornou ilustrací této skutečnosti jsou Benzerovy a Friesenovy studie rozložení spontánních mutací v lokusu rII bakterielního viru T4.
Makromutace
Kromě bodových mutací existuje řada genetických defektů, které postihují molekulu DNA ve větším rozsahu, než je jeden nebo několik málo nukleotidových párů. Jsou to a) inzerce, b) delece, c) posunové mutace (frameshift), dále d) duplikace, a e) inverze, které vznikají v důsledku aberantní replikace DNA a rekombinací.
Kratší inzerce nebo delece bází (většinou jednotky až desítky bází) zpravidla vznikají v lokusech s monotonními (opakovanými) sekvenčními motivy. V těchto místech je během replikace možný vzájemný posun vláken DNA v důsledku nepřesného párování. Tím vznikají podmínky pro lokální prodloužení nebo zkrácení repliky; vlastně tedy všechny mutace vznikající tímto způsobem jsou „posunové“; mutace označované v anglické literatuře jako „frameshift“ jsou v užším slova smyslu míněny jako inzerční nebo deleční posun čtecího rámce v genech kodujících proteiny. Posun čtecího rámce může vytvořit či suprimovat terminační kodony, nebo způsobit více či méně tolerované změny ve struktuře proteinů.
Každé zdvojení buňky je doprovázeno jedním zdvojením genomu replikací DNA. Mimo to může v tomtéž buněčném cyklu dojít k opakované replikaci některých lokusů a ke vzrůstu genetické redundance, k duplikacím a amlifikacím. Opakované sekvence jsou pak vhodným substrátem rekombinací.
Integrace nebo excize mobilních genetických elementů a horizontální (mezidruhový) přenos genetické informace, doprovázené dalšími cykly rekombinačních procesů, jsou zpravidla zdrojem rozsáhlých inzercí, translokací, delecí a duplikací DNA.
Replikační a transposiční restrukturace tedy vnášejí do genomu evoluční potenciál: umožňují rozrůznění genů mutačními změnami v jejich kopiích, vytvářejí nové geny přeskupováním (shuffling) sub-genových domén (modulů) a umožňují vznik nových regulačních obvodů v důsledku záměn regulačních sekvencí. Restrukturace genomů mohou vyústit i v úplné genetické oddělení a vznik nových biologických druhů Makromutace tedy souvisejí s dynamikou genomů. I když mají pro přežití současných vysoce komplexních organizmů většinou negativní důsledky, existovaly epochy, kdy dynamika genomů ovlivňovala tempo evoluce a hrála klíčovou úlohu při vzniku evolučních inovací.
Mikroevoluce a makroevoluce
Mikroevoluce a makroevoluce jsou historicky podmíněné vágní pojmy se kterými se můžeme setkat v odborné literatuře. Různí specialisté je chápou různě. Paleontologové a taxonomové, konfrontovaní s evoluční diskontinuitou a výraznými změnami forem, chápou makroevoluci jako evoluci fyletickou, jako proces vedoucí k novým druhům a vyšším taxonomickým jednotkám; embryolog v mikroevoluci viděl příčinu druhotných morfologických modifikací, zatímco v makroevoluci příčinu vzniku nových archetypalních struktur. Klasický genetik mezi mikroevolucí a makroevolucí neviděl jiný rozdíl, než kvantitativní, měřitelný počtem akumulovaných mutací.
Rozdílné chápání pojmu mikroevoluce a makroevoluce také souvisí s různými představami co je vlastně předmětem selekce. Jsou to odlišní jedinci v rámci vnitrodruhové variability (případ „mikroevoluce“), nebo jednotlivé populace jako celek v důsledku hromadně převládajících adaptivních znaků (případ „makroevoluce“)?
Molekulární biolog či molekulární genetik zpravidla vztahuje mikroevoluci k vnitodruhové variabilitě a morfologickým modifikacím, makroevoluci ke genetickým, funkčním a fenotypovým inovacím v důsledku makromutací. Příkladem by mohl být vznik členitého těla a kambrické rozrůznění živočichů v důsledku amplifikace a modifikace určitých regulačních genů.
Existují „inteligentní“ mutace?
Ukázali jsme, že vznik i distribuce mutací v genomech nemohou být považovány za náhodné. Názorným příkladem je zmíněná distribuce mutačních ohnisek („hot spotts“) obsahujících spontánní mutace v lokusu rII bakteriofága T4. Rozdíly mutačních frekvencí lze v tomto případě vysvětlit lokálními podmínkami v molekule DNA ale především funkčními omezeními při reprodukci fága. Ani strukturní přestavby genomů nejsou náhodné a jejich vznik, v důsledku amplifikace DNA a nereciprokých genetických výměn, podléhá regulačním vlivům. Existuje několik dobře prostudovaných případů, které dokazují existenci mozaikové struktury genomů a jejich mozaikovou evoluci. Prvním případem jsou studie struktury skupiny genů tvořících lokus glue u jednotlivých druhů drosofily (E. M. Meyerowitz, 1986). Exprese těchto genů je kontrolována hormonem ekdysteronem a vyvolává produkci lepivého proteinu (glue), který umožňuje fixaci pupárií na pevný podklad. Nanejvýš pozoruhodné na tomto lokusu je, že jeho dvě bezprostředně sousedící subdomény, oddělené ne více než 50 páry bází, se liší frekvencí substitučních mutací v poměru 1:10. Pokud jde o akumulaci bodových mutací vyvíjely se tedy zcela odlišnou rychlostí. Obě subdomény se však neliší frekvencí malých delecí a inzercí. Existují v podstatě dvě možná vysvětlení: a) rozdílem v působení selekčních tlaků - mutačně a evolučně konzervativní subdoména však nekoduje ani proteinový produkt ani neobsahuje regulační sekvence, funkční omezení jsou proto málo pravděpodobná; b) nebo rozdíly v produkci a/nebo fixaci substitučních bodových mutací – tyto rozdíly mohou být vyvolány řadou faktorů, od rozdílné účinnosti reparačních a rekombinačních procesů (efekt genové konverze) po inhibiční vlivy lokální struktury chromatinu. Další studie jiných autorů, srovnávající 20 jiných lokusů drosofily, jednoznačně potvrdily existenci výrazných rozdílů v akumulaci mutací v jednotlivých lokusech a naznačily další možné příčiny těchto rozdílů: fixace evolučně významné mutace vyvolává ve svém bezprostředním okolí vznik zóny (okénka), chráněné před akumulací následných mutací („hitch-hiking“ efekt, J. Mainard Smith). Ukazuje se, že velikost této zóny je úměrná frekvenci rekombinací v příslušném lokusu. Takže lokusy s nízkou rekombinační frekvencí (zde se patrně uplatňují vlivy lokální struktury chromatinu) mají rozsáhlá okna bez genetického polymorfizmu. Lze tato pozorování zobecnit i pro genomy obratlovců? Srovnávací analýzou pěti lokusů genomů hlodavců a genomu lidského byly zjištěny tři základní typy divergence sekvencí: výrazná divergence v nekódujících sekvencích klastru genů β−globinu a γ−krystalinu, vysoce konzervativní sekvence receptoru Cα−Cδ T buněk, a v sekvencích genů pro těžké řetězce α− a β−myosinu, a konečně smíšený typ divergence v doménách Cμ−Cδ imunoglobulinu IgH. Tyto mezidruhově srovnatelné rozdíly v divergenci různých bloků genomů znovu ukazují, že jednotlivé domény divergují různými rychlostmi a že divergence podléhají regulacím, jinak řečeno, genomy mají schopnost diferenciální regulace rychlosti své vlastní evoluce.
Lze pokročit ještě dále a předpokládat, že se tyto regulace mohou chovat deterministicky, tedy byt specifickou odpovědí na určitý externí podnět? Zde vstupuje do hry lamarckistická idea „adaptivních“ („inteligentních“) mutací, odvozená jakoby z cílevědomého chování mikroorganizmů v určitých limitujících podmínkách. Jejím propagátorem se stal J. Cairns (1988) který tvrdil, že buňky v závislosti na vnějších omezeních cíleně směřují mutace do těch genů, které umožní přežití.
Pojem „adaptivní mutace“ ve výše uvedeném smyslu je poněkud zavádějící, neboť všechny (tedy i necílené) mutace, pokud projdou selekcí a přispějí k adaptaci jsou vlastně adaptivní.
Toto extremní stanovisko nebylo potvrzeno v žádné z laboratoří, které se pokoušely o reprodukci Cairnsových pokusů, nakonec od něj odstoupil i sám autor. „Inteligence mutací“ tedy dosud nebyla prokázána. Výsledkem kritických experimentů byl však zisk nových údajů o stresem podmíněné indukci mutační aktivity, o povaze takto indukovaných mutací a o příčinách lokálních rozdílů v mutační rychlosti.
Na příklad kmeny E. coli, nesoucí mutace inaktivující laktózový (lac) operon skutečně vykazovaly významně zvýšenou frekvenci spontánních reverzí v podmínkách, kdy jediným zdrojem uhlíku a energie byla právě laktóza. Ale na rozdíl od původní Cairnsovy představy, že tyto mutace jsou specificky směrovány právě do lac operonu, byla nalezena i jiná ohniska neselektovaných hypermutací: mj. s „adaptivními“ lac+ reverzemi současně vznikaly i „neadaptivní“ (neselektované) mutace umožňující utilizaci maltózy.
Indukci hypermutací u E. coli lze vysvětlit působením nedávno objevených „chybujících“ (error-prone) DNA polymeráz, které doprovázejí tzv. SOS reparace. Tyto polymerázy začnou působit tehdy, když povaha poškození DNA již přesahuje možnosti „spolehlivé“ (high-fidelity) DNA polymerázy, která je součástí SOS systému.
„Spolehlivá“ opravná DNA polymeráza je mnohdy totožná s DNA polymerázou, která nahrazuje Okazakiho RNA primery při polymeraci zpožďujícího se řetezce v procesu replikace DNA.
Stresové podmínky, mezi nimi i hladovění na zdroje energie a uhlíku, mohou být příčinou indukce chybujících polymeráz.
V této souvislosti vzniká další otázka: je tedy inherentní schopnost biologických systémů ovlivňovat svou genetickou variabilitu per se adaptivní vlastností? Je schopnost účastnit se evoluce rovněž výsledkem evolučního procesu („evolution of evolvability“)?
Předpokládejme, že by vznikl generátor mutací posilující variabilitu v populacích. Jako konstitutivní selekční znak by se však mohl udržet jen kdyby současně posiloval adaptivitu (reprodukční úspěšnost), jinak řečeno jen kdyby preferoval inteligentní, adaptivní mutace. Nepředvídavá logika evoluce je však rozhodujícím protiargumentem. Nic to však nemění na skutečnosti, že organizmy či populace organizmů tu a tam procházejí kritickými situacemi, kdy indukovaná genetická variabilita může být evolučně relevantní.
Vracíme se k závěrům, že genomy z hlediska frekvence a distribuce mutací nejsou homogenním prostředím; neexistují cílené mutace; existuje jen možnost nespecifického ovlivnění genetických změn skrze regulace genomové dynamiky.