Код жизни, состоящий из триплетных кодонов четырех алфавитов ДНК A, T, G и C, довольно избыточен. Например, аминокислота аланин определяется не менее чем четырьмя альтернативными триплетными кодами (GCT, GCC, GCA и GCG) или кодонами. Эта избыточность лежит в основе того, что молекулярные биологи называют «синонимичными мутациями», когда изменение последовательности ДНК гена не меняет последовательность белка, который он кодирует.
Ожидается, что мутации, приводящие к изменениям в белковых последовательностях, вызовут нарушение функции и, следовательно, могут повлиять на способности или приспособленность организма. В отличие от этого, синонимичные мутации обычно игнорируются в этом контексте.
Дипа Агаше из NCBS и ее команда сотрудников подкрепили растущий объем доказательств того, что синонимичные варианты гена влияют на приспособленность организма. Более того, теперь они показали, что единичные высокоэффективные синонимичные мутации могут позволить организмам быстро развиваться и адаптироваться к окружающей среде.
Работая над бактерией Methylobacterium extorquens, группа создала несколько вариантов гена под названием fae.
Этот ген кодирует метаболический фермент, необходимый для выживания и роста в среде, где единственным источником углерода является метанол или метиламин. В таких ограничительных условиях бактерии подвергаются строгому отбору для сохранения функции гена фейри. При выращивании в условиях, когда метанол был единственным источником углерода, все популяции бактерий с «синонимичными» вариантами гена фейри работали плохо по сравнению с бактериями, несущими нормальный ген.
Однако, когда популяции бактерий, несущие эти варианты фекалий, выращивались в течение длительного периода времени с метанолом, который был единственным источником углерода, что описывалось как «строгие условия отбора», наблюдалось интересное явление.
В течение 100-200 поколений эти бактериальные популяции начали восстанавливать свою пригодность за счет дополнительных мутаций в вариантах генов. Многие из этих мутаций снова стали синонимами. Более того, эти мутации произошли в отдельных точках гена, были очень полезны и, казалось, повторялись во многих экспериментах. «Что удивительно в наших результатах, так это то, что полезные мутации, которые мы видим, очень часто повторяются в определенных вариантах генов – вы можете думать об этом процессе по аналогии с альпинистами – разные альпинисты, начинающие независимо от подножия холма, используют точно такая же стратегия для достижения вершины!,"говорит Дипа Агаше, ведущий автор публикации, подробно описывающей эти выводы.
Исследования, подобные описанному здесь, имеют решающее значение для понимания генетической основы адаптации. Понимание адаптации, в свою очередь, является ключом к пониманию эволюции и прогнозированию будущей динамики популяций.
Например, способность прогнозировать развитие устойчивости к антибиотикам через генетические мутации в бактериальной популяции поможет в разработке более эффективных лекарств от болезней. До сих пор синонимичные мутации и варианты генов считались относительно не важными для таких исследований адаптации из-за отсутствия информации об их влиянии на приспособленность организма.
Это исследование подтверждает мнение о том, что такую синонимность больше нельзя игнорировать как не имеющую отношения к процессам адаптации и эволюции.