1944 년, Evelyn Witkin이라는 유전학의 컬럼비아 대학 박사 과정 학생이 우연한 실수를 저질렀습니다. 뉴욕의 콜드 스프링 하버 (Cold Spring Harbour)에있는 실험실에서 첫 실험을하면서 실수로 수백만의
향후 20 년 동안 Witkin 은이 돌연변이 체가 어떻게 그리고 왜 나타 났는지 이해하려고 노력했습니다. 그녀의 연구로 인해 그녀는 현재 게놈이 손상되었을 때 박테리아가 사용하는 DNA 복구 메커니즘 인 SOS 반응으로 알려져 있으며, 그 동안 수십 개의 유전자가 활성화되고 돌연변이 속도가 증가했습니다. 이러한 추가 돌연변이는 유익한 것보다 더 해로운 경우가 많지만 UV 또는 항생제에 대한 내성의 발달과 같은 적응을 가능하게합니다.
그 이후로 일부 진화 생물 학자들을 괴롭힌 문제는 자연 이이 배열을 선호했는지 여부입니다. 돌연변이의 상승은 단지 수리 과정의 이차적 인 결과가 본질적으로 오류가 발생하기 쉬운가요? 또는 일부 연구자들이 주장하는 것처럼, 돌연변이 속도 자체의 증가는 진화 된 적응이며, 박테리아가 스트레스가 많은 환경에서 유리한 특성을 더 빨리 진화시키는 데 도움이되는 것입니까?
과학적 도전은 가혹한 환경이 비 랜덤 돌연변이를 유발한다는 것을 설득력있게 입증하는 것이 아니라. 또한 운이 좋은 돌연변이를 더 많이 만들 수있는 나머지 분자 생물학과 일치하는 그럴듯한 메커니즘을 찾는 것이 었습니다. 박테리아와 더 복잡한 유기체에 대한 연구의 물결은 수십 년 동안 그 답을 찾았습니다.
어쨌든 어떤 종류의 돌연변이를 설명하기위한 최신의 가장 좋은 대답은 6 월에 PLOS 생물학에서보고 된 바와 같이 효모 연구에서 나왔다. 케임브리지에있는 Babraham Institute의 분자 생물학 및 유전학 전문가 인 Jonathan Houseley가 이끄는 팀은 효모 게놈의 영역에서 더 많은 돌연변이를 주도하는 메커니즘을 제안했습니다.
.“환경이 필요에 따라 적응을 허용하기 위해 환경이 게놈에 영향을 줄 수있는 완전히 새로운 방법입니다. Baylor College of Medicine의 분자 및 인간 유전학 교수 인 Philip Hastings는 Houseley Group의 실험에 관여하지 않은 Philip Hastings는 말했습니다. 이 이야기에 연락 한 다른 과학자들은 또한 그 작품을 칭찬했지만 논란의 여지가있는 아이디어에 대해 가장 많이주의를 기울이는 것은 여전히 투기적이고 더 많은 지원이 필요했습니다.
.게놈의 다양성 증가
Houseley는“‘돌연변이가 항상 무작위입니까?’와 같은 매우 광범위한 질문을하는 대신보다 기계적인 접근 방식을 취하고 싶었습니다. 그와 그의 동료들은 카피 수 변이라는 특정 종류의 돌연변이에주의를 기울였습니다. DNA는 종종 기본 쌍의 연장 된 서열 또는 전체 유전자의 여러 카피를 포함한다. 세포가 세포 분열 전에 DNA를 복제 할 때 특정 실수가 유전자 서열의 사본을 삽입하거나 삭제할 수 있기 때문에 정확한 수는 개인마다 다를 수 있습니다. 예를 들어, 인간의 경우 게놈의 5-10 %가 사람마다 카피 수 변화를 나타내며, 이러한 변이 중 일부는 암, 당뇨병, 자폐증 및 수많은 유전 적 장애와 관련이 있습니다. Houseley는 적어도 어떤 경우에는 유전자 카피 수의 이러한 변화가 환경의 스트레스 또는 위험에 대한 반응 일 수 있다고 의심했습니다.
2015 년 Houseley와 그의 동료들은 효모 세포가 단백질을 합성하는 세포의 일부인 리보솜과 관련된 유전자에서 추가 카피 수 변화를 유도하는 것으로 보이는 메커니즘을 설명했습니다. 그러나, 그들은이 증가가 세포 환경에서 변화 또는 제약에 대한 의도적으로 적응적인 반응임을 증명하지 않았다. 그럼에도 불구하고, 그들에게는 영양소가 풍부하고 단백질을 만드는 데 대한 수요가 더 높을 때 효모가 리보솜 유전자를 더 많이 만들고있는 것처럼 보였습니다.
따라서 Houseley는 유사한 메커니즘이 환경의 위험한 변화에 의해보다 직접적으로 활성화 된 유전자에 작용할 수 있는지 테스트하기로 결정했습니다. 2017 년 논문에서 그와 그의 팀은 cup1 에 중점을 두었습니다. , 효모가 환경 구리의 독성 효과에 저항하는 데 도움이되는 유전자. 그들은 효모가 구리에 노출되었을 때 cup1 의 복사본의 변화가 있음을 발견했습니다. 세포에서 증가했습니다. 평균적으로, 대부분의 세포는 유전자의 사본이 적었지만, 전체 인구의 약 10 % (약 10 %)가 더 많은 사본을 얻은 효모 세포는 구리에 더 강해졌고 번성했습니다. Houseley는“올바른 일을 한 소수의 세포는 다른 모든 것을 발전시킬 수있는 이점이었다”고 말했다.
그러나 그 변화는 그 자체로는 의미가 없었습니다. 환경 구리가 돌연변이를 일으킨다면 cup1 의 변화 카피 수 변이는 더 높은 돌연변이 속도의 의미없는 결과에 지나지 않았을 수 있습니다. 그 가능성을 배제하기 위해, 연구원들은 cup1 을 영리하게 다시 엔지니어링했습니다. 유전자는 구리 대신 무해한 비 투기성 설탕, 갈락토스에 반응하도록 유전자. 이들 변경된 효모 세포가 갈락토스에 노출되었을 때, 유전자의 카피 수의 변화도 바뀌었다.
세포는 유용한 게놈의 정확한 위치로 더 큰 변화를 지시하는 것처럼 보였다. 더 많은 연구 후, 연구원들은이 현상 뒤에 생물학적 메커니즘의 요소를 확인했습니다. 세포가 그들의 DNA를 복제 할 때, 복제 메커니즘이 때때로 정체된다는 것이 이미 알려져있다. 일반적으로 메커니즘은 다시 시작하여 중단 된 위치를 선택할 수 있습니다. 할 수없는 경우, 셀은 복제 과정의 시작으로 돌아갈 수 있지만 그렇게하면 때때로 실수로 유전자 서열을 삭제하거나 추가 사본을 만듭니다. 그것이 정상적인 카피 번호 변화를 일으키는 원인입니다. 그러나 Houseley와 그의 팀은 이러한 요인의 조합으로 인해 이러한 복사 오류가 특히 환경 스트레스에 적극적으로 반응하는 유전자에 부딪 칠 가능성이 높아져서 카피 수 변이를 보여줄 가능성이 높다는 것을 의미합니다.
.핵심 요점은 이러한 효과가 환경에 반응하는 유전자에 중심이되고, 자연 선택에 특정 수준의 유전자 발현 수준이 특정 도전에 대해 최적 일 수 있는지 미세 조정할 수있는 추가 기회를 제공 할 수 있다는 것입니다. 결과는 도전적인 환경이 체력을 가장 잘 향상시키는 유전 적 변화를 제어하도록 세포를 아연 도금 할 수 있다는 실험적 증거를 제시하는 것으로 보인다. 그들은 또한 프랑스의 자연 주의자 장-바치 티스트 라마르크 (Jean-Baptiste Lamarck)에 대한 구식의 예전의 아이디어를 연상시키는 것처럼 보인다. 그러나 Houseley는이 유사성이 피상적이라고 주장합니다.
Houseley는“우리가 정의한 것은 유용한 사이트에서 비 랜덤 돌연변이를 자극하는 프로세스를 제공하기 위해 무작위 돌연변이의 다윈의 선택을 통해 전적으로 발생하는 메커니즘입니다. “Lamarckian 적응이 아닙니다. 그것은 단지 Lamarckian 적응과 관련된 문제없이 같은 목적을 달성합니다.”
.적응 돌연변이 토론
1943 년 이래, 미생물학 자 살바도르 루리아와 생물 생리 학자 맥스 델 브룩은 노벨상 수상 실험을 통해 e에서 돌연변이를 보여 주었다. coli 무작위로 발생하면 박테리아 SOS 반응과 같은 관찰로 인해 일부 생물 학자들은 그 규칙에 중요한 허점이 있는지 궁금해했습니다. 예를 들어, 자연 에 출판 된 논란의 여지가있는 논문에서 1988 년에 하버드의 존 케언즈 (John Cairns)와 그의 팀은 설탕이 유일한 식품 공급원 인 환경에서 우유 설탕 유당을 소화 할 수없는 박테리아를 배치 할 때 세포가 곧 유당을 에너지로 전환하는 능력을 진화 시켰다는 것을 발견했습니다. 케언즈는이 결과가 세포가 유익 할 때 우선적으로 특정 돌연변이를 만들기위한 메커니즘을 가지고 있음을 보여 주었다.
그 특정 아이디어에 대한 실험적 지원은 결국 부족한 것으로 판명되었지만 일부 생물 학자들은 적응성 돌연변이로 알려진 더 넓은 이론의 지지자가되도록 영감을 받았습니다. 그들은 세포가 특정 환경에서 필요한 정확한 돌연변이를 지시 할 수 없더라도, 유전자 변화를 촉진하기 위해 돌연변이 속도를 높여서 적응할 수 있다고 믿는다.
.Houseley 팀의 작업은 그 직책의 사례를 강화하는 것 같습니다. 인디애나 대학교의 생물 학자 인 패트리샤 포스터 (Patricia Foster)는“효모 메커니즘에는‘문제를 해결하기 위해 돌연변이해야 할 유전자입니다. "그것은 진화가 속도가 빨라질 수 있음을 보여줍니다."
Baylor의 Hastings는 Houseley의 메커니즘이 왜 추가 돌연변이가 게놈 전체에서 발생하지 않는지를 설명한다는 사실을 칭찬했습니다. "유전자가 발생하기 위해서는 유전자를 전사해야합니다."
그러나 적응성 돌연변이 이론은 대부분의 생물 학자들 사이에서 거의 받아 들여지지 않으며, 많은 사람들은 Cairns의 원래 실험과 Houseley의 새로운 실험을 회의적으로 본다. 그들은 더 높은 돌연변이 속도가 환경 스트레스에 적응하더라도 더 높은 돌연변이 속도 자체가 스트레스에 대한 적응임을 입증한다고 주장한다. 데이비스 캘리포니아 대학교 (University of California)의 유전 학자이자 미생물학자인 존 로스 (John Roth)는“해석은 직관적으로 매력적이다. 스트레스로 인한 돌연변이 유발의 이러한 예 중 어느 것이 옳다고 생각하지 않습니다. 이 현상에 대한 다른 비정규적인 설명이있을 수 있습니다.”
펜실베이니아 대학교의 생물학자인 폴 스나 니고 스키 (Paul Sniegowski)는“[Houseley의 작품]은 아름답고 적응 형 돌연변이 토론과 관련이 있다고 생각합니다. "그러나 결국, 그것은 여전히 가설을 나타냅니다." 더 확실하게 검증하기 위해, 그는 이론적 모델을 만들고이 적응 적 돌연변이가 합리적인 기간 내에 진화 할 수 있는지 여부를 결정한 다음 실험실의 유기체 인구에 도전하여 이와 같은 메커니즘을 발전 시켜서“진화론 생물 학자가하는 방식으로 테스트해야 할 것”이라고 덧붙였다.
.의심 자들에도 불구하고 Houseley와 그의 팀은 암 및 기타 생물 의학적 문제와의 관련성을 이해하기 위해 연구를 인내하고 있습니다. Houseley는“화학 요법 내성 암의 출현은 흔한 일이며 질병을 치료하는 데 큰 장벽을 형성합니다. 그는 화학 요법 약물 및 종양에 대한 다른 스트레스가 악성 세포가 약물에 대한 내성에 대한 돌연변이를 포함하여 추가로 돌연변이하도록 장려 할 수 있다고 생각합니다. 만약 그 저항이 효모에 대한 그의 연구에서 탐구 한 종류의 메커니즘에 의해 촉진된다면, 그것은 새로운 약물 목표를 매우 잘 보여줄 수 있습니다. 암 환자는 정상적인 화학 요법 과정과 저항성 돌연변이를 가능하게하는 생화학 적 변형을 억제하는 제제로 치료 될 수 있습니다.
Houseley는“우리는 적극적으로 노력하고 있습니다.
