لا تحدث طفرات الحمض النووي بشكل عشوائي – الاكتشاف يحول نظرتنا للتطور

تغلب على الصعاب في لعبة المقامرة الخاصة بالطفرة

إن اكتشاف أن النباتات تحمي جيناتها الأساسية يغير نظرتنا إلى التطور.

طفرة الحمض النووي لا تحدث بشكل عشوائي كما كان يُفترض سابقًا ، وفقًا لبحث جديد أجراه معهد ماكس بلانك للبيولوجيا في توبنغن بألمانيا وجامعة كاليفورنيا في ديفيس في الولايات المتحدة. النتائج لديها القدرة على تغيير وجهة نظرنا للتطور جذريًا. للرؤى آثار بعيدة المدى ، تتراوح من المعرفة الأفضل بتدجين المحاصيل إلى التنبؤات بالمشهد الطفري للسرطانات.

الطفرات ، التي تحدث عندما يتلف الحمض النووي ولا يتم إصلاحه ، هي الوقود الرئيسي للتطور. الافتراض المركزي لنظرية التطور لداروين هو أنها تحدث بشكل عشوائي وأن الانتقاء الطبيعي هو الوحيد الذي يحدد الجينات التي تتغير بشكل أسرع وأيها تتغير بشكل أبطأ أثناء التطور. تم عكس هذا الافتراض الأساسي الآن.

يقول جراي مونرو ، الأستاذ المساعد في قسم علوم النبات بجامعة كاليفورنيا في ديفيس والمؤلف الأول للورقة البحثية: “لقد فكرنا دائمًا في ظهور الطفرات بالصدفة عبر الجينوم”. “اتضح الآن أن نمط الطفرة ليس فقط غير عشوائي للغاية ، ولكنه أيضًا غير عشوائي بطريقة تفيد النبات.”

يعلق ديتليف ويجل ، المدير العلمي لمعهد ماكس بلانك للبيولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة: “هذا منظور جديد تمامًا للطفرة وكيف يعمل التطور”.

نبات الأرابيدوبسيس thaliana. الائتمان: معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء في توبنغن

حماية النباتات ذات الطفرات الضارة

قام الباحثون بزراعة عينات من الحشائش الموزعة على نطاق واسع نبات الأرابيدوبسيس thaliana في بيئة معملية محمية ، حيث يمكن أن تتكاثر جميع النباتات ، بما في ذلك تلك التي لديها طفرات ضارة. عادة ما يتم القضاء على هذه الطفرات الضارة بسرعة من خلال ضغوط الاختيار السائدة في الطبيعة ، وبالتالي تختفي قبل أن يمكن ملاحظتها. من خلال تحليل جينومات مئات النباتات المزروعة في المختبر ، تمكن العالم من تحديد آلاف الطفرات عند ظهورها.

كشفت التحليلات الإحصائية المتطورة أن هذه الطفرات لم تكن بأي حال من الأحوال موزعة بشكل عشوائي في الجينوم ، كما توقع الباحثون. وبدلاً من ذلك ، وجدوا أجزاءً من الجينوم كانت الطفرات فيها نادرة ، وأجزاء أخرى كانت الطفرات فيها أكثر شيوعًا. في هذه المناطق ذات الطفرات القليلة ، كانت الجينات الضرورية لكل خلية وبالتالي ضرورية لبقاء كل نبات ممثلة تمثيلا زائدا إلى حد كبير. يقول ويجل: “هذه هي مناطق الجينوم الأكثر عرضة للتأثيرات الضارة للطفرات الجديدة ، وبالتالي يبدو أن إصلاح تلف الحمض النووي فعال بشكل خاص في هذه المناطق”. إنه مثل لعبة التطور بالنرد المحملة – فهي تقلل من خطر إتلاف الجينات الأكثر حيوية.

تربية أرابيز في ظروف معملية في دفيئة. الائتمان: معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء في توبنغن

منظور جديد للنظرية الكلاسيكية للتطور

وجد العلماء أن الأنواع المختلفة من البروتينات التي يلتف حولها الحمض النووي في نواة الخلية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بظهور الطفرات. يقول مونرو: “إنه يعطينا فكرة جيدة عما يحدث ، حتى نتمكن من التنبؤ بالجينات التي من المرجح أن تتغير أكثر من غيرها”.

أشار ويجل إلى أن النتائج كانت غير متوقعة تمامًا في ضوء نظرية التطور الكلاسيكية: “من المعروف منذ فترة طويلة أنه أثناء التطور ، تتراكم طفرات في مناطق معينة من الجينوم أكثر من مناطق أخرى. للوهلة الأولى ، يبدو أن ما وجدناه يتناقض مع الحكمة التقليدية القائلة بأن هذا يعكس ببساطة الانتقاء الطبيعي الذي يقمع معظم الطفرات قبل أن يمكن ملاحظتها “. ومع ذلك ، على الرغم من التوزيع غير المكتمل للطفرات في جينوم نموذجي ، فإن المناطق المهمة ليست خالية تمامًا منها ، وبالتالي يمكن لهذه المناطق أيضًا أن تتطور ، وإن كان ذلك بمعدل أبطأ من الأجزاء الأخرى من الجينوم.

الاستخدامات المستقبلية في تربية الحيوانات والبحوث الطبية

يوضح مونرو: “لقد طور النبات طريقة لحماية أهم جيناته من الطفرات”. “إنه أمر مثير لأنه يمكننا حتى استخدام هذه النتائج للتفكير في كيفية حماية الجينات البشرية من الطفرات.” في المستقبل ، يمكن استخدامها للتنبؤ بأي الجينات هي أفضل أهداف التكاثر لأنها تتطور بسرعة ، أو التي من المرجح أن تسبب المرض للإنسان.

المرجع: “التحيز الطفري يعكس الانتقاء الطبيعي في Arabidopsis thaliana” بقلم ج. غراي مونرو ، وثانفي سريكانت ، وبابلو كاربونيل-بيجيرانو ، وكلود بيكر ، ومارييل لينسينك ، ومويسيس إكسبوزيتو ألونسو ، وماري كلاين ، وجوليا هيلدبراندت ، ومانويلا نيومان ، ودانييل كليبنشتاين ، وماو – لون وينج وإريك إمبرت وجون أجرين وماثيو تي روتر وتشارلز بي فينستر وديتليف ويجل ، 12 يناير 2022 ، الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04269-6

تم إنجاز معظم العمل في معهد ماكس بلانك للبيولوجيا (سابقًا معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء التنموي) ، ويستمر العمل الآن هناك وفي جامعة كاليفورنيا في ديفيس. كما ساهم في العمل باحثون من معهد كارنيجي للعلوم وجامعة ستانفورد وجامعة ويستفيلد الحكومية وجامعة مونبلييه وجامعة أوبسالا وكلية تشارلستون وجامعة ولاية ساوث داكوتا. جاء التمويل من جمعية ماكس بلانك ، مع تمويل إضافي من مؤسسة العلوم الوطنية ومؤسسة الأبحاث الألمانية.