Ezzel a kijelentéssel tartoztam az igazságnak. Túl régóta tanítom, hogy a baktériumok kevéssé pontosan másolják genetikai állományukat (nagyobb a mutációs rátájuk), mint az eukarióták (pláne az ember). Az ember fia olvas és hitetlenkedik, de ha egyszer a tények makacsul ellentmondanak a prekoncepciómnak, akkor bizony a tényeken hiedelmemen kell változtatni.
A mutációs ráta egyrészt függ a DNS-t másoló enzim pontosságától, másrészt az ezt követő hibajavítás hatékonyságától. A DNS alapú DNS polimerázok pontossága nagyjából 10-5 – 10-6 hiba / bázis / replikáció. Ez azt jelenti, hogy minden 10.000 vagy 100.000 bázis másolásakor vétenek egy hibát.
1. táblázat. A DNS alapú DNS polimerázok hibarátája.
Ez azért már gyártásban is elég jó pontosság lenne, de ez tovább javítják a hibajavító mechanizmusok. A végső mutációs ráta így 4-5 nagyságrenddel kisebb, azaz körülbelül 10-9 - 10-10 mutáció / bázis / másolás. Tehát 1 hiba jut 1 milliárd vagy 10 milliárd bázisra. Szóval elég pontos ez a DNS másolás.
Többsejtűekben - mint mi - viszont nem egy másolás választja el a generációkat, hanem lényegesen több. A zigóta és a belőle kifejlődő élőlény elég sok sejtosztódás után képes csak ivarsejteket létrehozni (akkor is, ha lényegesen kevesebb sejtosztódás kell hozzá, mint sok más szervünk kialakításához). Ez bizony növeli a mutációs rátát.
2. táblázat. Különböző szervezetek mutációs rátája.
Az adatok magukért beszélnek. A bakteriumok generációnkénti mutációs rátája 1-2 nagyságrenddel (!) kisebb, mint az eukariótáké. Ehhez hozzájön, hogy apróbb a genetikai állományuk, így azt akár generációk ezrein keresztül is képesek hiba nélkül átadni. Nálunk meg a lényegesen nagyobb génállományt (az ember diploid genomja 6 milliárd (109) bázisból áll) kisebb pontossággal másoljuk így generációnként majdnem 100 bázisnyi változás is lehet.
Miért kevéssé pontos az eukarióta DNS továbbadás, mint a bakteriális? A korábban említett több sejtosztódás egy nagyságrend különbséget megválaszol. A többi még egyenlőre nem ismert. Van olyan elmélet, hogy mivel az összetettebb élőlényekből kevesebb van, így a szelekció sem olyan hatékony. Ez igaz. Talán meg is magyarázza, hogy miért adja át pontosabban a genetikai állományát egy egér az emberhez képest.
Bennem az is felmerült, hogy valamennyi változatra szükség van. Mi átlagosan 25-30 évente adjuk át DNS-ünket, tehát ez a kb. 100 bázisnyi változás ekkora időre esik. Ez alatt baktériumok több tízezer generációja váltja egymást. Ennyi idő alatt a pontos továbbadással is jócskán generálnak változatokat (pláne, hogy nagyon nagy populációméretük lehet).
És, ha ez ennyire ismert, akkor miért tanítottam/tudtam rosszul eddig? Vegyünk egy újabb pillantást a 1. táblázatra. Azok az enzimek nem csak élőlényekben működnek, de van olyan, amit biotechnológiai/biokémiai módszerekben alkalmaznak. Ezen polimerázok és a rájuk épülő módszerek pontossága ismert. Minden bizonnyal mindenkinek a fejében ezek a számok keringenek (mert eddig senki nem javított ki), míg emberről a tényleges generációnkénti mutációs ráta.
Itt az idő, hogy a jobb számokat jegyezzük meg. Azért nem írom, hogy a jókat, mert ezek becslések, s minél nagyobb genomú és hosszabb életű élőlényről van szó, annál nehézkesebb a ritka mutációkat megtalálni, s ez alapján mutációs rátát becsülni.
Szóval most hamut szórok a fejemre és elnézést kérek hallgatóimtól, hogy rossz információval traktáltalak titeket!
A mutációs ráta egyrészt függ a DNS-t másoló enzim pontosságától, másrészt az ezt követő hibajavítás hatékonyságától. A DNS alapú DNS polimerázok pontossága nagyjából 10-5 – 10-6 hiba / bázis / replikáció. Ez azt jelenti, hogy minden 10.000 vagy 100.000 bázis másolásakor vétenek egy hibát.
1. táblázat. A DNS alapú DNS polimerázok hibarátája.
DNS alapú DNS polimeráz | Élőlénycsoport | Hibaráta (mutáció/bázis/másolás) | Referencia |
| Taq | baktérium | 3x10-5 5,6x10-5 | (McInerney et al. 2014) |
| AccuPrime-Taq | baktérium | 1x10-5 | (McInerney et al. 2014) |
| KOD | baktérium | 7,6x10-6 | (McInerney et al. 2014) |
| Pfu | archaea | 2,8x10-6 | (McInerney et al. 2014) |
| Phusion | archaea | 2,6x10-6 | (McInerney et al. 2014) |
| Pwo | archaea | 2,4x10-6 | (McInerney et al. 2014) |
| T7 (módosított) | bakteriofág | 3,4x10-5 | (Keohavong és Thilly 1989) |
| T4 | bakteriofág | 3x10-6 | (Keohavong és Thilly 1989) |
| pol α | eukarióta | 9,6x10-5 | (McCulloch és Kunkel 2008) |
| pol δ | eukarióta | 1,3x10-5 | (McCulloch és Kunkel 2008) |
| pol ε | eukarióta | 2,4x10-4 | (McCulloch és Kunkel 2008) |
| pol γ | mitokondrium | 4,5x10-5 | (McCulloch és Kunkel 2008) |
Ez azért már gyártásban is elég jó pontosság lenne, de ez tovább javítják a hibajavító mechanizmusok. A végső mutációs ráta így 4-5 nagyságrenddel kisebb, azaz körülbelül 10-9 - 10-10 mutáció / bázis / másolás. Tehát 1 hiba jut 1 milliárd vagy 10 milliárd bázisra. Szóval elég pontos ez a DNS másolás.
Többsejtűekben - mint mi - viszont nem egy másolás választja el a generációkat, hanem lényegesen több. A zigóta és a belőle kifejlődő élőlény elég sok sejtosztódás után képes csak ivarsejteket létrehozni (akkor is, ha lényegesen kevesebb sejtosztódás kell hozzá, mint sok más szervünk kialakításához). Ez bizony növeli a mutációs rátát.
2. táblázat. Különböző szervezetek mutációs rátája.
Faj |
Mutációs ráta (mutáció / bázis / generáció) | Mutációs ráta (mutáció / genom / generáció) | Élőlénycsoport | Hivatkozás |
| Escherichia coli B REL606 | 8,9 × 10-11 | 0,00041 | Baktérium | (Wielgoss et al. 2011) |
| Escherichia coli K-12 MG1665 | 5 × 10-10 | (Conrad et al. 2009, Lee és Palsson 2010) | ||
| Escherichia coli W3110 | 1,5×10-10 | (Kishimoto et al. 2010) | ||
| Salmonella typhimurium LT2 | 7 × 10-10 | 0,0034 | (Lind és Andersson 2008) | |
| Myxococcus xanthus DK1622 | 3,3 – 4,5 ×10-10 | (Velicer et al. 2006) | ||
| Saccharomyces cerevisiae | 3,3 × 10-8 | 4,01 | Egysejtű eukarióta | (Lynch et al. 2008, Kondrashov és Kondrashov 2010) |
| S. cerevisiae mitokondrium | 1,2 × 10-8 | (Kondrashov és Kondrashov 2010) | ||
| Chlamydomonas reinhardtii | 3,23 × 10-10 | 0,389 | (Ness et al. 2012) | |
| Neurospora crassa | 7,2 ×10-11 | Gomba | (Drake et al. 1998) | |
| Arabidopsis thaliana | 7 × 10-9 | Növény | (Ossowski et al. 2010) | |
| Drosophila melanogaster | 8,4 × 10-9 | 1,99 | Állat | (Haag-Liautard et al. 2007) |
| Drosophila melanogaster mitokondrium | 7,2 × 10-8 | (Kondrashov és Kondrashov 2010) | ||
| Caenorhabditis elegans | 2,1 × 10-8 | 2,1 | (Denver et al. 2004) | |
| Caenorhabditis elegans mitokondrium | 1,6 × 10-7 | (Kondrashov és Kondrashov 2010) | ||
| Egér | 1,8 ×10-10 | (Drake et al. 1998) | ||
| Csimpánz | 1,2 × 10-8 | 35 | (Venn et al. 2014) | |
| Ember | 1,2 × 10-8 | 74,4 | (Kong et al. 2012) |
Miért kevéssé pontos az eukarióta DNS továbbadás, mint a bakteriális? A korábban említett több sejtosztódás egy nagyságrend különbséget megválaszol. A többi még egyenlőre nem ismert. Van olyan elmélet, hogy mivel az összetettebb élőlényekből kevesebb van, így a szelekció sem olyan hatékony. Ez igaz. Talán meg is magyarázza, hogy miért adja át pontosabban a genetikai állományát egy egér az emberhez képest.
Bennem az is felmerült, hogy valamennyi változatra szükség van. Mi átlagosan 25-30 évente adjuk át DNS-ünket, tehát ez a kb. 100 bázisnyi változás ekkora időre esik. Ez alatt baktériumok több tízezer generációja váltja egymást. Ennyi idő alatt a pontos továbbadással is jócskán generálnak változatokat (pláne, hogy nagyon nagy populációméretük lehet).
És, ha ez ennyire ismert, akkor miért tanítottam/tudtam rosszul eddig? Vegyünk egy újabb pillantást a 1. táblázatra. Azok az enzimek nem csak élőlényekben működnek, de van olyan, amit biotechnológiai/biokémiai módszerekben alkalmaznak. Ezen polimerázok és a rájuk épülő módszerek pontossága ismert. Minden bizonnyal mindenkinek a fejében ezek a számok keringenek (mert eddig senki nem javított ki), míg emberről a tényleges generációnkénti mutációs ráta.
Itt az idő, hogy a jobb számokat jegyezzük meg. Azért nem írom, hogy a jókat, mert ezek becslések, s minél nagyobb genomú és hosszabb életű élőlényről van szó, annál nehézkesebb a ritka mutációkat megtalálni, s ez alapján mutációs rátát becsülni.
Hivatkozott irodalom
- McInerney, P., Adams, P. és Hadi, M. Z. 2014. Error rate comparison during polymerase chain reaction by DNA polymerase. Molecular Biology International 2014: 8
- Keohavong, P. és Thilly, W. G. 1989. Fidelity of DNA polymerases in DNA amplification. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 86(23): 9253–9257
- McCulloch, S. D. és Kunkel, T. A. 2008. The fidelity of DNA synthesis by eukaryotic replicative and translesion synthesis polymerases. Cell Research 18(1): 148–161
- Wielgoss, S., Barrick, J. E., Tenaillon, O., Cruveiller, S., Chane-Woon-Ming, B., Médigue, C., Lenski, R. E. és Schneider, D. 2011. Mutation rate inferred from synonymous substitutions in a long-term evolution experiment with Escherichia coli. G3: Genes|Genomes|Genetics 1(3): 183–186
- Conrad, T. M., Joyce, A. R., Applebee, M. K., Barrett, C. L., Xie, B., Gao, Y. és Palsson, B. Ø. 2009. Whole-genome resequencing of Escherichia coli K-12 MG1655 undergoing short-term laboratory evolution in lactate minimal media reveals flexible selection of adaptive mutations. Genome Biology 10(10): R118–R118
- Lee, D.-H. és Palsson, B. Ø. 2010. Adaptive evolution of Escherichia coli K-12 MG1655 during growth on a nonnative carbon source, l-1,2-propanediol. Applied and Environmental Microbiology 76(13): 4158–4168
- Kishimoto, T., Iijima, L., Tatsumi, M., Ono, N., Oyake, A., Hashimoto, T., Matsuo, M., Okubo, M., Suzuki, S., Mori, K., Kashiwagi, A., Furusawa, C., Ying, B.-W. és Yomo, T. 2010. Transition from positive to neutral in mutation fixation along with continuing rising fitness in thermal adaptive evolution. PLoS Genetics 6(10): e1001164
- Lind, P. A. és Andersson, D. I. 2008. Whole-genome mutational biases in bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 105(46): 17878–17883
- Lynch, M., Sung, W., Morris, K., Coffey, N., Landry, C. R., Dopman, E. B., Dickinson, W. J., Okamoto, K., Kulkarni, S., Hartl, D. L. és Thomas, W. K. 2008. A genome-wide view of the spectrum of spontaneous mutations in yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 105(27): 9272–9277
- Kondrashov, F. A. és Kondrashov, A. S. 2010. Measurements of spontaneous rates of mutations in the recent past and the near future. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 365(1544): 1169–1176
- Zhu, Y. O., Siegal, M. L., Hall, D. W. és Petrov, D. A. 2014a. Precise estimates of mutation rate and spectrum in yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 111(22): E2310–E2318
- Drake, J. W., Charlesworth, B., Charlesworth, D. és Crow, J. F. 1998. Rates of spontaneous mutation. Genetics 148(4): 1667–1686
- Ness, R. W., Morgan, A. D., Colegrave, N. és Keightley, P. D. 2012. Estimate of the spontaneous mutation rate in Chlamydomonas reinhardtii. Genetics 192(4): 1447–1454
- Ossowski, S., Schneeberger, K., Lucas-Lledó, J. I., Warthmann, N., Clark, R. M., Shaw, R. G., Weigel, D. és Lynch, M. 2010. The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science 327(5961): 92–94
- Haag-Liautard, C., Dorris, M., Maside, X., Macaskill, S., Halligan, D. L., Charlesworth, B. és Keightley, P. D. 2007. Direct estimation of per nucleotide and genomic deleterious mutation rates in Drosophila. Nature 445(7123): 82–85
- Keightley, P. D., Trivedi, U., Thomson, M., Oliver, F., Kumar, S. és Blaxter, M. L. 2009. Analysis of the genome sequences of three Drosophila melanogaster spontaneous mutation accumulation lines. Genome Research 19(7): 1195–1201
- Denver, D. R., Morris, K., Lynch, M. és Thomas, W. K. 2004. High mutation rate and predominance of insertions in the Caenorhabditis elegans nuclear genome. Nature 430(7000): 679–682
- Venn, O., Turner, I., Mathieson, I., de Groot, N., Bontrop, R. és McVean, G. 2014. Strong male bias drives germline mutation in chimpanzees. Science 344(6189): 1272–1275
- Kong, A., Frigge, M. L., Masson, G., Besenbacher, S., Sulem, P., Magnusson, G., Gudjonsson, S. A., Sigurdsson, A., Jonasdottir, A., Jonasdottir, A., Wong, W. S. W., Sigurdsson, G., Walters, G. B., Steinberg, S., Helgason, H., Thorleifsson, G., Gudbjartsson, D. F., Helgason, A., Magnusson, O. T., Thorsteinsdottir, U. és Stefansson, K. 2012. Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk. Nature 488(7412): 471–475
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése