Mutasjonsrater for dyr avslører trekk som fremskynder utviklingen

I barnespilltelefonen kan en hvisket setning som "Jeg spiste en pære" raskt bli "Jeg hater bjørner" når den beveger seg nedover en rekke med spillere. Etter hvert som gener overføres fra foreldre til avkom, kan også de gradvis transformeres av små kopieringsfeil, noe som noen ganger fører til nye, nyttige egenskaper. Å kjenne tempoet til arvede mutasjoner er avgjørende for å forstå hvordan arter utvikler seg. Men inntil nylig var de vilt divergerende hastighetene som livet kan mutere med kjent for bare en håndfull arter.

Nå, en massiv analyse av 68 forskjellige virveldyrarter, fra øgler og pingviner til mennesker og hvaler, har gjort den første storskala sammenligningen av hastighetene som arter muterer med - et første skritt mot å forstå hvor raskt de kan utvikle seg. Funnene, publisert i tidsskriftet Natur, avdekket overraskende innsikt i hvordan tempoet for mutasjoner kan endres og hva som setter tempoet.

Papiret "dobler omtrent mengden mutasjonsrateestimater vi har," sa Michael Lynch, en evolusjonsbiolog ved Arizona State University som ikke var involvert i studien. Nå har vi en "bedre ide om mengden variasjon innen virveldyr."

Med disse omfattende dataene kan biologer begynne å svare på spørsmål om hvilke egenskaper som påvirker mutasjonshastigheten og utviklingstakten mest. "Det er ting som påvirker utviklingshastigheten, [men] vi vet ikke alle," sa Patricia Foster, en professor emerita i biologi ved Indiana University som ikke var involvert i studien. "Dette er starten."

Målingene av mutasjonshastigheter kan være kritisk nyttige for å kalibrere de genbaserte molekylære klokkene som biologer bruker for å bestemme når arter divergerte, og de tilbyr nyttige tester av flere teorier om hvordan evolusjon fungerer. De bekrefter også at faktorer som bidrar til å sette utviklingshastigheten selv er underlagt evolusjon. "Kimlinjemutasjon, som alle andre egenskaper, er under naturlig utvalg," sa Lucie Bergeron, hovedforfatteren av den nye studien.

Kraften til tre

Selv om de avanserte DNA-sekvenseringsteknologiene som gjorde studien mulig har eksistert i årevis, var det klart at en stor multi-arts sammenligning av mutasjonsrater ville innebære så mye arbeid at "ingen gikk inn i det," sa Bergeron, som tok tak i prosjekt som en del av hennes doktorgradsarbeid ved Københavns Universitet. Men med oppmuntring fra hennes rådgiver, Guojie Zhang ved Universitetet i København og Zhejiang University School of Medicine i Kina, dykket Bergeron inn.

Bergeron og teamet hennes samlet først blod- og vevsprøver fra familietrioer - en mor, en far og ett av deres avkom - fra arter i dyreparker, gårder, forskningsinstitutter og museer over hele verden. De sammenlignet deretter DNAet til foreldrene og avkommet i hver trio for å finne genetiske forskjeller mellom generasjonene.

Hvis de fant en mutasjon i rundt 50 % av et avkoms DNA, konkluderte de med at det sannsynligvis var en kimlinjemutasjon - en arvet enten gjennom morens egg eller farens sæd. Naturlig utvalg kan virke direkte på en slik mutasjon. Mindre hyppige mutasjoner ble ansett for å ha skjedd spontant i vev utenfor kimlinjen; de var mindre relevante for evolusjon fordi de ikke ville bli gitt videre.

(Overraskende ofte fortalte uoverensstemmelser i familietrioene forskerne at fedrene som er oppført i dyrehagene ikke var relatert til babyene. Dyrehagerepresentanter trakk ofte på skuldrene av denne nyheten og sa at det kan ha vært to hanner i buret. «Ja, vel, den andre er vinneren», spøkte Bergeron.)

Til slutt hadde forskerne 151 brukbare trioer, som representerte arter så fysisk, metabolsk og atferdsmessig varierte som massive spekkhoggere, bittesmå siamesiske kampfisker, gekkoer i Texas og mennesker. De sammenlignet så artens mutasjonsrater med det vi vet om atferden og egenskapene som kalles deres livshistorie. De vurderte også et statistisk mål for hver art kalt effektiv populasjonsstørrelse, som omtrent tilsvarer hvor mange individer som trengs for å representere det genetiske mangfoldet. (For eksempel, selv om den menneskelige befolkningen i dag er 8 milliarder, anslår forskere vanligvis vår effektive befolkningsstørrelse til å være rundt 10,000 XNUMX eller færre.) Bergeron og hennes kolleger så etter assosiasjonsmønstre i tallene.

Det mest overraskende funnet som fremkom fra dataene var det brede spekteret av mutasjonsrater for kimlinje. Da forskerne målte hvor ofte mutasjonene skjedde per generasjon, varierte arten bare rundt førti ganger, noe Bergeron sa virket ganske lite sammenlignet med forskjellene i kroppsstørrelse, levetid og andre egenskaper. Men når de så på mutasjonsratene per år i stedet for per generasjon, økte området til omtrent 120 ganger, noe som var større enn tidligere studier hadde antydet.

Kildene til variasjon

Studieforfatterne fant at jo høyere den gjennomsnittlige effektive populasjonsstørrelsen for en art er, desto lavere er mutasjonsraten. Det ga gode bevis for "drift-barriere hypotese", som Lynch utviklet for litt over et tiår siden. "Seleksjon prøver nådeløst å redusere mutasjonsraten fordi de fleste mutasjoner er skadelige," forklarte Lynch. Men hos arter med mindre effektive populasjonsstørrelser blir naturlig seleksjon svakere fordi genetisk drift - effekten av ren tilfeldighet på spredningen av en mutasjon - blir sterkere. Det gjør at mutasjonsraten kan stige.

Funnene støtter også en annen idé i den vitenskapelige litteraturen, den mannlig drevet evolusjonshypotese, som foreslår at hanner kan bidra med flere mutasjoner til utviklingen av noen arter enn kvinner gjør. Bergeron og kollegene hennes fant ut at mutasjonshastigheter i kimlinje hadde en tendens til å være høyere for hanner enn for kvinner - i det minste hos pattedyr og fugler, men ikke hos reptiler og fisk.

Forfatterne bemerket en mulig årsak til disse forskjellene: Fordi menn i alle arter kopierer sitt DNA konstant for å lage sæd, står de overfor uendelige muligheter for mutasjoner. Hunnfisk og krypdyr lager egg gjennom hele livet også, så de har en lignende risiko for genetiske feil. Men kvinnelige pattedyr og fugler er i hovedsak født med alle eggcellene de noen gang vil produsere, så kimlinjene deres er mer beskyttet.

Livshistorietrekk utgjorde omtrent 18 % av variasjonen som forskerne fant. Den største av disse effektene kom fra en arts generasjonstid, gjennomsnittsalderen som den reproduserer: Ettersom alderen til foreldrene steg, steg mutasjonsratene også.

Fordi Bergeron inkluderte seg selv, broren og foreldrene deres i studien for menneskelige data, kan hun se dette mønsteret i sin egen familie. "Jeg har flere mutasjoner enn broren min, fordi faren min var eldre da han fikk meg," sa hun.

Faktorer som modningstid og antall avkom spilte også en rolle for noen virveldyr, men i motsetning til forventningene fant forskerne ingen effekt relatert til kroppsstørrelse. Det er en langvarig hypotese som skapninger med større kroppsstørrelser burde ha flere mutasjoner fordi de har flere celler og dermed flere muligheter for DNA-kopieringsmaskineriet til å gjøre feil.

"Det var overraskende å se at generasjonstiden virket mye viktigere enn kroppsstørrelsen," sa Kelley Harris, en assisterende professor i genomvitenskap ved University of Washington. "I den tidligere litteraturen er disse hypotesene mer på lik linje."

Harris berømmet funnene som en spennende start på å svare på noen av disse store spørsmålene om hvilke faktorer som er de viktigste bestemmende faktorene for mutasjonshastighet og dermed evolusjon. Utover det antyder studien hvor mye biologisk mangfold som finnes i naturen.

"Mangfoldet i livet er ikke bare hvordan dyr ser ut," sa hun. Det er "alle disse egenskapene du ikke kan se, og å kunne observere det i studier som dette gjør bare biologisk mangfold enda mer spennende."