Mint ahogy tudjuk, egy élőlény örökítőanyagának megváltozását mutációnak nevezzük. A mutációs események viszonylag ritkák, a DNS másolását végző polimeráz enzim általában néhány százmillió - egymilliárd bázisnyi DNSben ejt egyetlen hibát. Hogy ez sok vagy kevés, az erősen viszonylagos, mint ahogyan az is erősen kutatott kérdés, hogy mi történne, ha a mutációs ráta csökkenne vagy éppen nőne? Hogyan lehetne mégis kísérletesen vizsgálni ezt a kérdést?
Loh és munkatársai egyszerűen közelítették meg a kérdést. Egy csomó DNS polimeráz I mutáns Escherichia coli törzset hoztak létre, amelyekben így nagy mértékben különbözött a mutációk bekövetkezésének az esélye. Voltak köztük vad típusú DNS polimerázt hordozók, olyanok, amelyek a vad típusúnál sokkal ritkábban építettek be hibás bázisokat (antimutátor) és olyanok is, amelyek a vad típusú enzimnél sokkal gyakrabban hibáztak (mutátor). A legerősebb antimutátor polimeráz ezerszer kevesebb hibás bázist épített be, mint a vad típusú, a legerősebb mutátor enzim pedig a vad típusúnál ezerszer több hibát hozott létre. Végül tizenegy mutátor, ötvenegy antimutátor és négy vad típusú törzzsel dolgoztak. A törzsek a mutáns polimerázokat kódoló géneket plazmidon hordozták, a kromoszómális genomjuk azonos volt, így kizárták az esetleges háttérmutációk hatását.
Mint ahogy tudjuk, egy élőlény örökítőanyagának megváltozását mutációnak nevezzük. A mutációs események viszonylag ritkák, a DNS másolását végző polimeráz enzim általában néhány százmillió - egymilliárd bázisnyi DNSben ejt egyetlen hibát. Hogy ez sok vagy kevés, az erősen viszonylagos, mint ahogyan az is erősen kutatott kérdés, hogy mi történne, ha a mutációs ráta csökkenne vagy éppen nőne? Hogyan lehetne mégis kísérletesen vizsgálni ezt a kérdést?
Loh és munkatársai egyszerűen közelítették meg a kérdést. Egy csomó DNS polimeráz I mutáns Escherichia coli törzset hoztak létre, amelyekben így nagy mértékben különbözött a mutációk bekövetkezésének az esélye. Voltak köztük vad típusú DNS polimerázt hordozók, olyanok, amelyek a vad típusúnál sokkal ritkábban építettek be hibás bázisokat (antimutátor) és olyanok is, amelyek a vad típusú enzimnél sokkal gyakrabban hibáztak (mutátor). A legerősebb antimutátor polimeráz ezerszer kevesebb hibás bázist épített be, mint a vad típusú, a legerősebb mutátor enzim pedig a vad típusúnál ezerszer több hibát hozott létre. Végül tizenegy mutátor, ötvenegy antimutátor és négy vad típusú törzzsel dolgoztak. A törzsek a mutáns polimerázokat kódoló géneket plazmidon hordozták, a kromoszómális genomjuk azonos volt, így kizárták az esetleges háttérmutációk hatását.
Minden törzsből százötvenmillió egyedet kevertek össze, majd hat részre osztották ezt a baktériumkeveréket, mind a hat csövet egy napon át harminchét Celsius fokon rázatva növesztették, majd friss táptalajra helyezték, mindezt harmincegy napon át ismételték, így összesen körülbelül háromszázötven nemzedéken át folytatták a kísérletet. Ez a környezet szélsőségesen változó, az átoltás után sok a táptalaj, míg a huszonnegyedik óra végére már jelentősen túlnőttek a sejtek. Ez után szilárd táptalajra szélesztették a baktériumokat és megvizsgálták hogy lemezenként tizenhat telep melyik PolI enzimet kódoló plazmidot hordozza. Ugyanezt a kísérletet elvégezték LB táptalajon és minimáltáptalajon is.
Az eredmény elég egyértelmű, ha nem is mondhatjuk, hogy meglepő. A vizsgált tizenkét kultúra mindegyike a kísérlet kezdetekor hatvanhat baktériumtörzset tartalmazott egyenlő arányban, a kísérlet végén azonban összesen nyolc törzset tudtak kimutatni belőlük. A nyolc törzs mindegyike a mutátorokból került ki, a legenyhébb mutátor törzs is a vad típusúnál háromszor több hibát vétett a DNS másolásakor, a legsúlyosabb negyvenhétszer többet. Sem vad típusú, sem antimutátor törzseket sem mutattak ki a kísérlet végén, bár ezek alkották a kiindulási populáció sejtjeinek nyolctizedét, ami egyértelműen jelzi, hogy versenyhelyzetben a sok mutáció előnyös, míg a kevés mutáció hátrányos. Azonban ugyanígy a kísérlet végére kiszorultak a populációkból az extrém mutátor törzsek, amelyek százötvenszer és ezerszázszor több hibát vétettek a vad típusnál, ami azt is jelzi, hogy ez az összefüggés nem lineáris, a túl sok mutáció ugyanúgy hátrányos, mint a túl kevés. (Az A ábrán látható az egyes LB táptalajban nevelt kultúrákban az egyes törzsek megoszlása, a B ábrán ugyanezt az eloszlást tüntették fel minimáltáptalajon végzett kísérletben, a C ábra a nyolc genotípus jellemzőit adja meg, a D ábra pedig a százalékos arányukat az összes törzs között.)
Megvizsgálták a legnagyobb arányban jelen lévő "nyertes" törzseket mind a hat kultúrából és azt tapasztalták, hogy a hat nyertesből öt szignifikánsan gyorsabban nőtt, mint a szülői törzs, amiből származott, ezekből négy egyszerűen nagyobb maximális sűrűséget ért el, míg egyben szignifikánsan rövidebb időt vett igénybe egy osztódás. Ezek után kipróbálták, mi történik, ha a "nyertes" törzseket a szülői törzsükkel és vad típusú sejtekkel azonos mennyiségben keverik egy kultúrába és nem meglepő módon azt tapasztalták, hogy az összes szülői törzs lassabban nőtt, mint a vad típusú, míg az összes nyertes, egy hónapon át szabadon evovált törzs gyorsabban nőtt, mint a vad típusú sejtek.
No most mi látszik ebből a kísérletből egyértelműen? A felhasznált baktériumtörzsek teljesen azonosak voltak, köztük az egyetlen különbség a plazmidon bejuttatott PolI enzimben mutatkozott a kísérlet kezdetén, így gyakorlatilag csak a mutációs rátájukban tértek el. Ahhoz, hogy bármelyik is túlnője a többit, előnyös mutációknak kellett történnie benne, amit a nagyobb mutációs ráta segített elő, a nagyszámú véletlen mutáció jelentette azt az előnyt, amivel az egyes mutátor törzsek túl tudták nőni a vad típusú és az antimutátor törzseket is. Egyszerűen a mutátor törzsek gyorsabban alkalmazkodtak a környezetükhöz, mint azok, amelyekben kevesebb mutáció történt. Mint ahogy ez egyértelműen látszik abból is, hogy ha egy hónapon át hagyták az evolúciót a maga útját járni, a nyertes törzsek életképessége megnőtt az egy hónappal korábbi őseikhez képest.
Köszönet a The Panda's Thumb blognak a cikk ajánlásáért!
Loh E., Salk J. J., Loeb L. A. (2010): Optimization of DNA polymerase mutation rates during bacterial evolution; PNAS, 107 (3), 1154-9
Sexcomb
