적응 돌연변이

Adaptive mutation
분자생물학 기법은 현장 지도 돌연변이 유발 요인을 참조하십시오.

지시 돌연변이 또는 지시 돌연변이 유발이라고도 불리는 적응 돌연변이는 논란이 많은 진화론이다.그것은 돌연변이, 즉 유전적 변화가 전통적인 진화보다 훨씬 덜 무작위적이고 더 목적적합하다고 추정하며, 유기체가 게놈의 특정 유전자나 영역에 돌연변이를 직교적으로 지시함으로써 환경적 스트레스에 대응할 수 있음을 암시한다.적어도 미생물에서는 적응 돌연변이의 사상을 지지(또는 반증)하려는 다양한 실험이 있었다.null

정의

가장 널리 받아들여지는 진화론은 돌연변이에 의해 야기된 변화가 생식 성공 가능성을 향상시키는 자연 선택에 의해 유기체가 변형된다고 말한다.적응형 돌연변이는 돌연변이와 진화가 무작위적이기 보다는 특정한 스트레스에 반응한다고 말한다.즉, 일어나는 돌연변이는 특별히 어떤 것에 대한 반응이 아닌 무작위적인 것이 아니라 주어진 스트레스에 더 유익하고 구체적이다.스트레스라는 용어는 온도, 영양소, 인구크기 등 환경의 변화를 말한다.미생물을 이용한 실험 결과, 적응형 돌연변이의 경우, 주어진 스트레스 이후에 관찰된 돌연변이가 우연만이 시사하는 것보다 스트레스를 다루는 데 더 효과적이었다는 사실이 밝혀졌다.[1][2]이 적응 돌연변이의 이론은 1980년대에 존 케언스에 의해 처음으로 학계의 주목을 받게 되었다.[3]null

조기작업

추가 정보:돌연변이와 정형외과

러시아의 어류학자 Lev Berg는 그의 반다르위니아 책 Nomogenesis; 또는 법에 의해 결정되는 진화 (1922)에서 대량 돌연변이를 진화의 주요 메커니즘으로 제안했다.버그의 이론은 둘 다 돌연변이학자(선택 대신 돌연변이 유입)와 정형외과적(Involvation direction)이었다.[4]독일의 유전학자들에 의해 "주도적 돌연변이"에 대한 초기 연구가 수행되었다.리처드 골드슈미트는 1929년 기온 상승에 노출된 드로필라 과일 파리에 대한 실험에서 지시된 돌연변이에 대한 증거를 만들었다고 주장했다.1930년대 빅토르 졸로스(1887–1941)도 드로소필라에 대한 실험을 실시했고, 그의 연구결과가 자연선택과 대조적으로 지시된 돌연변이의 증거였던 골드슈미트의 연구를 확인했다고 썼다.그러나, 후에 미국의 유전학자들은 이러한 실험을 재현할 수 없었고, 그 개념들은 무작위로 발생하는 돌연변이의 표준 다윈 메커니즘에 비해 선호되지 않았다.[5][6]null

최근 연구

적응 돌연변이는 이 아이디어를 시험하기 위해 고안된 일련의 실험으로 이어지는 논란의 여지가 있는 주장이다.세 가지 주요 실험은 SOS 반응,[7] 대장균에서의 기아에 대한 반응,[8] 사카로마이오스 세레비시아(예스트)에서 트립토판 보조생물의 회귀 테스트 등이다.[1]null

락토오스 기아

대장균종 FC40은 돌연변이 발생률이 높아 적응형 돌연변이와 같은 연구에 유용하다.프레임시프트 돌연변이로 인해, DNA가 다른 무언가에 대해 코딩하게 되는 순서의 변화로 인해, FC40은 젖당을 처리할 수 없다.유당이 풍부한 매체에 놓였을 때, 20%의 세포가 Lac-(유당을 처리할 수 없음)에서 Lac+로 변이된 것으로 밝혀졌는데, 이는 그들이 이제 그들의 환경에서 유당을 활용할 수 있다는 것을 의미한다.스트레스에 대한 반응은 현재의 DNA에 있는 것이 아니라 재조합과 복제 과정 자체를 통해 DNA 복제 과정에서 일어나는 변화로, 현재 박테리아에서 적응형 돌연변이가 발생하며 돌연변이가 박테리아 내 유전 코드의 일부가 되기 때문에 다음 세대에 물려받게 된다는 뜻이다.[8]특히 이는 대장균을 유당 수치가 최소인 매질로 다시 옮긴 후에도 이전 환경에 대한 대응으로 라크+ 돌연변이가 계속 생산되고 있음을 입증한 케언스의 연구에서 확연히 드러난다.[1]자연 선택은 새로운 환경에서 이 돌연변이를 선호하지 않을 것이기 때문에 적응형 돌연변이가 작용하고 있지 않다면 이것은 가능하지 않을 것이다.적응형 돌연변이와 관련된 유전자가 많지만 단백질인 RecG는 적응형 돌연변이에 효과가 있는 것으로 나타났다.그 자체로 RecG는 반드시 돌연변이 표현형식으로 이어지지 않는 것으로 밝혀졌다.다만 야생형 세포에서 역귀체(변종 연구 대상 세포와는 달리 정상적으로 나타난 세포)의 외관을 억제하는 것으로 나타났다.반면, RecG 돌연변이는 유당 활용 능력 등 SOS 반응 실험에서 주요 연구 대상이었던 RecA 의존 돌연변이의 표현에 핵심이었다.[9]null

적응 돌연변이는 1988년[10] 유당을 대사하는 능력이 부족한 대장균을 연구하던 존 케언스에 의해 재발견되었다.그는 유당이 유일한 에너지원인 매체에서 이 박테리아를 배양했다.그렇게 함으로써, 그는 박테리아가 유당을 대사시키는 능력을 진화시키는 속도가 정말로 무작위적인 돌연변이가 될 경우 예상할 수 있는 것보다 훨씬 높은 수순이라는 것을 발견했다.이것은 그가 발생했던 돌연변이가 유당 이용에 관련된 유전자를 향하고 있었다는 것을 제안하도록 영감을 주었다.[11]null

나중에 이 가설에 대한 지지는 수전 로젠버그, 그 후 알버타 대학에서 나왔는데, 그는 1989년 케언스와 동료들이 관찰한 지시 돌연변이 유발에 DNA 재조합 수리에 관련된 효소가 필요하다는 것을 발견했다.지시된 돌연변이 유발 가설은 2002년에 이 현상이 선택된 유전자 증폭에 의한 일반적인 과불화성 때문이며, 자연선택에 따른 것이라는 연구 결과로서 다윈의 표준 과정이라는 것을 보여줌으로써 도전받았다.[12][13]그러나 2007년 이후의 연구는 증폭이 적응형 돌연변이를 설명할 수 없으며 "유당 선택 후 처음 며칠 동안 나타나는 돌연변이는 한 번에 발생하는 진정한 복귀제"라고 결론지었다.[14]null

SOS 응답

이 실험은 한 가지 작은 방법으로 다른 실험들과 다르다: 이 실험은 다른 실험들이 변화하는 환경 미생물에 노출되는 동안 적응 돌연변이로 이어지는 경로와 관련이 있다.대장균의 SOS 반응은 반드시 수리해야 하는 DNA 손상에 대한 반응이다.정상 세포 주기는 보류되며 돌연변이 유발이 시작될 수 있다.피해를 고치기 위해 돌연변이가 일어난다는 뜻이다.이 과음, 즉 증가된 변화율은 어느 정도 규제 프로세스를 가져야 하며, 이 과정에서 몇 가지 핵심 분자는 RecA와 LexA이다.이것들은 단백질이고 이것과 다른 과정들의 신호등 역할을 한다.그들은 또한 대장균의 적응형 돌연변이의 주요 원인이 되는 것으로 보인다.하나 또는 다른 하나가 존재하는 변화는 SOS영향을미치는 것으로 나타났고, 이는 결국 반응에 세포가 유당을 어떻게 처리할 수 있는지에 영향을 미쳤으며, 유당 기아 실험과 혼동해서는 안 된다.여기서 이해해야 할 핵심 요점은 적응 돌연변이가 발생하기 위해서는 렉사(LexA)와 레카(RecA) 둘 다 필요했고, SOS 응답 없이는 적응 돌연변이가 불가능하다는 것이다.[1]null

효모

폰 보르스텔 박사는 1970년대에 효모를 이용한 락토오스 기아 실험, 특히 사카로마이오스 세레비시아에 대한 실험과 유사한 실험을 했다.그는 트립토판 보조복귀제를 검사했다.트립토판 보조생물은 스스로 트립토판을 만들 수 없지만 야생형 세포는 만들 수 있고 따라서 리턴트는 트립토판을 생산할 수 있는 정상적인 상태로 되돌아갈 것이다.그는 효모 군락을 트립토판이 풍부한 매개체에서 최소한의 매개체로 옮기면 며칠 동안 역귀화체가 계속 나타난다는 사실을 발견했다.효모에서 회귀제가 관찰된 정도는 박테리아에 비해 높지 않았다.히스티딘 환원제를 실험한 홀이나 라이신을 실험한 스틸 & 징크스 로베르손과 같은 다른 과학자들은 유사한 실험을 했다.이러한 실험들은 적응형 돌연변이를 위해 재조합과 DNA 복제가 어떻게 필요한지를 보여준다.그러나 리신 검사 세포에서는 그것을 선택하지 않아도 재조합이 계속 일어났다.스틸과 징크스 로베르손은 재조합이 모든 상황에서 적응하든 그렇지 않든 간에 유익하고 적응할 때만 돌연변이가 존재한다고 결론지었다.[1]null

선택 중 돌연변이의 생성이 박테리아로 관찰된 것만큼 활발하지는 않았지만, 이러한 연구는 설득력이 있다.위에서 언급했듯이, 후속 연구는 라이스2로 결과에 훨씬 더 무게를 더한다.스틸 & 진크스-로버트슨[1]은 색소간 재결합 사건에 의한 LYS 원생대 역시 비분열 세포에서 계속 발생한다는 것을 발견했지만, 이 경우 재조합원 생산은 이들을 위한 선택이 있었든 없었든 계속되었다.따라서 돌연변이는 적응이 되었을 때만 정지 단계에서 발생했지만 적응이 되었든 안 되었든 재결합이 일어났다.null

칸디다 알비칸의 돌연변이 출현이 늦어진 것도 보고됐다.[15]중금속 농도에 장기간 노출되면서 5~10일 후 저항성 세포 군집이 나타나기 시작했고 이후 1~2주 동안 계속 나타났다.이러한 저항은 비록 짧은 선택적 성장 기간 동안 표현형은 안정적이었지만 유전자 증폭에서 비롯되었을 수 있다.그러나 두 보조식물의 역귀환자도 비슷한 운동학으로 나타났다.칸디다 알비칸의 이러한 사건들 중 아직 부과된 선택에 특정한 것은 없는 것으로 나타났다.null

참조

  1. ^ a b c d e Foster, Patricia L. (1993). "Adaptive mutation: The uses of adversity". Annual Review of Microbiology. 47: 467–504. doi:10.1146/annurev.mi.47.100193.002343. PMC 2989722. PMID 8257106.
  2. ^ Sniegowski, P. D.; Lenski, R. E. (1995). "Mutation and adaptation: The directed mutation controversy in evolutionary perspective". Annual Review of Ecology and Systematics. 26: 553–578. doi:10.1146/annurev.es.26.110195.003005. JSTOR 2097219. S2CID 42252134.[영구적 데드링크]
  3. ^ Cairns, J; Overbaugh, J.; Miller, S (1988). "The origin of mutants". Nature. 335 (6186): 142–45. Bibcode:1988Natur.335..142C. doi:10.1038/335142a0. PMID 3045565. S2CID 4304995.
  4. ^ Levit, Georgy S.; Olsson, Lennart (2006). "Evolution on Rails: Mechanisms and Levels of Orthogenesis". In Wissemann, Volker (ed.). Annals of the History and Philosophy of Biology. Vol. 11. Universitätsverlag Göttingen. pp. 112–3. ISBN 978-3-938616-85-7.
  5. ^ Harwood, Jonathan (15 February 1993). "3. Genetics and the Evolutionary Process". Styles of Scientific Thought: The German Genetics Community, 1900–1933. University of Chicago Press. pp. 121–4. ISBN 978-0-226-31882-0.
  6. ^ Popov, Igor. "The Problem of Constraints on Variation from Darwin to the Present" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2011-08-20. Retrieved 2012-04-28.
  7. ^ McKenzie, G.J.; Harris, R.S.; Lee, P.L.; Rosenberg, S.M. (2000). "The SOS response regulates adaptive mutation". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (12): 6646–6651. Bibcode:2000PNAS...97.6646M. doi:10.1073/pnas.120161797. PMC 18688. PMID 10829077.
  8. ^ a b Foster, Patricia L. (2000). "Adaptive mutation: implications for evolution". BioEssays. 22 (12): 1067–1074. doi:10.1002/1521-1878(200012)22:12<1067::AID-BIES4>3.0.CO;2-Q. PMC 2929355. PMID 11084622.
  9. ^ Foster, Patricia L.; Trimarchi, J.M.; Maurer, R.A. (1996). "Two enzymes, both of which process recombination intermediates, have opposite effects on adaptive mutation in Escherichia coli". Genetics. 142 (1): 25–37. doi:10.1093/genetics/142.1.25. PMC 1206954. PMID 8770582.
  10. ^ Cairns, J.; Overbaugh, J.; Miller, S. (September 1988). "The origin of mutants". Nature. 335 (6186): 142–5. Bibcode:1988Natur.335..142C. doi:10.1038/335142a0. PMID 3045565. S2CID 4304995.
  11. ^ Symonds, N. (21 September 1991). "A fitter theory of evolution?: Biologists have always denied that organisms can adapt their genes to suit a new environment. But some startling discoveries about bacteria are making them think again". New Scientist. No. 1787. pp. 30–.
    Concar, D. (21 September 1991). "A fitter theory of evolution?". New Scientist. No. 1787. p. 30.
  12. ^ Slechta, E. Susan; Liu, Jing; Andersson, Dan I.; Roth, John R. (1 July 2002). "Evidence That Selected Amplification of a Bacterial lac Frameshift Allele Stimulates Lac+ Reversion (Adaptive Mutation) With or Without General Hypermutability". Genetics. 161 (3): 945–956. doi:10.1093/genetics/161.3.945. PMC 1462195. PMID 12136002.
  13. ^ Slechta, E. Susan; Harold, Jennifer; Andersson, Dan I.; Roth, John R. (1 May 2002). "The effect of genomic position on reversion of a lac frameshift mutation (lacIZ33) during non-lethal selection (adaptive mutation)". Molecular Microbiology. 44 (4): 1017–1032. doi:10.1046/j.1365-2958.2002.02934.x. PMID 12010495.
  14. ^ Stumpf, Jeffrey D.; Poteete, Anthony R.; Foster, Patricia L. (2007-03-15). "Amplification of lac Cannot Account for Adaptive Mutation to Lac+ in Escherichia coli". Journal of Bacteriology. 189 (6): 2291–2299. doi:10.1128/JB.01706-06. PMC 1899370. PMID 17209030.
  15. ^ Malavasic, M. J.; Cihlar, R. L. (1992). "Growth response of several Candida albicans strains to inhibitory concentrations of heavy metals". Journal of Medicinal and Veterinary Mycology. 30 (6): 421–32. doi:10.1080/02681219280000581.