Djurmutationshastigheter avslöjar egenskaper som påskyndar evolutionen

I barnens speltelefon kan en viskande fras som "Jag åt ett päron" snabbt bli "Jag hatar björnar" när den rör sig längs en rad spelare. När gener överförs från föräldrar till avkommor, kan även de gradvis omvandlas av små kopieringsfel, vilket ibland leder till nya, användbara egenskaper. Att känna till tempot för ärvda mutationer är avgörande för att förstå hur arter utvecklas. Ändå tills nyligen var de mycket divergerande hastigheterna med vilka livet kan mutera kända för endast en handfull arter.

Nu, en massiv analys av 68 olika arter av ryggradsdjur, från ödlor och pingviner till människor och valar, har gjort den första storskaliga jämförelsen av de hastigheter med vilka arter muterar - ett första steg mot att förstå hur snabbt de kan utvecklas. Resultaten, publicerade i tidskriften Natur, grävde fram överraskande insikter om hur tempot för mutationer kan förändras och vad som sätter den takten.

Uppsatsen "fördubblar i stort sett mängden uppskattningar av mutationshastigheten vi har," sa Michael Lynch, en evolutionär biolog vid Arizona State University som inte var involverad i studien. Nu har vi en "bättre uppfattning om mängden variation inom ryggradsdjur."

Med dessa omfattande data kan biologer börja svara på frågor om vilka egenskaper som mest påverkar mutationshastigheten och evolutionstakten. "Det finns saker som påverkar evolutionens hastighet, [men] vi vet inte alla", sa Patricia Foster, en professor emerita i biologi vid Indiana University som inte var involverad i studien. "Det här är början."

Mätningarna av mutationshastigheter kan vara avgörande för att kalibrera de genbaserade molekylära klockorna som biologer använder för att avgöra när arter divergerade, och de erbjuder användbara tester av flera teorier om hur evolution fungerar. De bekräftar också att faktorer som hjälper till att ställa in evolutionens hastighet själva är föremål för evolution. "Könslinjemutation, som alla andra egenskaper, är under naturligt urval," sa Lucie Bergeron, huvudförfattaren till den nya studien.

Tres kraft

Även om den avancerade DNA-sekvenseringstekniken som gjorde studien möjlig har funnits i flera år, var det tydligt att en stor jämförelse av flera arter av mutationshastigheter skulle innebära så mycket arbete att "ingen gick in i det", sa Bergeron, som tog itu med projekt som en del av hennes doktorandarbete vid Köpenhamns universitet. Men med uppmuntran från hennes rådgivare, Guojie Zhang vid Köpenhamns universitet och Zhejiang University School of Medicine i Kina dök Bergeron in.

Bergeron och hennes team samlade först blod- och vävnadsprover från familjetrios - en mamma, en far och en av deras avkommor - från arter i djurparker, gårdar, forskningsinstitut och museer över hela världen. De jämförde sedan föräldrarnas och avkommans DNA i varje trio för att peka ut genetiska skillnader mellan generationerna.

Om de hittade en mutation i cirka 50 % av en avkommas DNA, drog de slutsatsen att det sannolikt var en könscellsmutation - en som ärvts genom antingen moderns ägg eller faderns spermier. Naturligt urval kan verka direkt på en sådan mutation. Mindre frekventa mutationer ansågs ha skett spontant i vävnader utanför könslinjen; de var mindre relevanta för evolutionen eftersom de inte skulle föras vidare.

(Oöverraskande ofta berättade oöverensstämmelse i familjetrioerna för forskarna att fäderna som listades av djurparkerna inte var släkt med bebisarna. Zoo-representanter ryckte ofta på axlarna åt den här nyheten och sa att det kan ha varit två hanar i buren. "Ja, ja, den andra är vinnaren”, skulle Bergeron skämta.)

I slutändan hade forskarna 151 användbara trios, som representerade arter lika fysiskt, metaboliskt och beteendemässigt olika som massiva späckhuggare, små siamesiska kampfiskar, Texas-bandgeckos och människor. De jämförde sedan artens mutationshastigheter med vad vi vet om de beteenden och egenskaper som kallas deras livshistoria. De övervägde också ett statistiskt mått för varje art som kallas den effektiva populationsstorleken, vilket ungefär motsvarar hur många individer som behövs för att representera den genetiska mångfalden. (Till exempel, även om den mänskliga befolkningen idag är 8 miljarder, uppskattar forskare vanligtvis vår effektiva befolkningsstorlek till cirka 10,000 XNUMX eller färre.) Bergeron och hennes kollegor letade efter mönster av associationer i siffrorna.

Det mest överraskande fyndet som framkom från data var det breda utbudet av mutationshastigheter för könsceller. När forskarna mätte hur ofta mutationerna inträffade per generation, varierade arten med bara cirka fyrtiofaldigt, vilket Bergeron sa att det verkade ganska litet jämfört med skillnaderna i kroppsstorlek, livslängd och andra egenskaper. Men när de tittade på mutationshastigheterna per år snarare än per generation, ökade intervallet till cirka 120 gånger, vilket var större än tidigare studier hade föreslagit.

Variationens källor

Studieförfattarna fann att ju högre den genomsnittliga effektiva populationsstorleken för en art är, desto lägre mutationshastighet. Det gav goda bevis för "driftbarriärhypotes”, som Lynch tog fram för lite över ett decennium sedan. "Selektion försöker obevekligt minska mutationshastigheten eftersom de flesta mutationer är skadliga," förklarade Lynch. Men hos arter med mindre effektiva populationsstorlekar blir det naturliga urvalet svagare eftersom genetisk drift - effekten av ren slump på spridningen av en mutation - blir starkare. Det gör att mutationshastigheten kan stiga.

Fynden stöder också en annan idé i den vetenskapliga litteraturen, den mansdriven evolutionshypotes, som föreslår att hanar kan bidra med fler mutationer till utvecklingen av vissa arter än vad honor gör. Bergeron och hennes kollegor fann att mutationshastigheterna för könsceller tenderade att vara högre för män än för honor - åtminstone hos däggdjur och fåglar, men inte hos reptiler och fiskar.

Författarna noterade en möjlig orsak till dessa skillnader: Eftersom män i alla arter kopierar sitt DNA ständigt för att göra spermier, står de inför oändliga möjligheter för mutationer att inträffa. Fiskhonor och reptiler gör också ägg under hela sin livstid, så de löper en liknande risk för genetiska fel. Men honliga däggdjur och fåglar föds i princip med alla äggceller de någonsin kommer att producera, så deras könsceller är mer skyddade.

Livshistoriska egenskaper stod för cirka 18% av variationen som forskarna fann. Den största av dessa effekter kom från en arts generationstid, den genomsnittliga åldern vid vilken den reproducerar sig: När föräldrarnas ålder steg, ökade också mutationsfrekvensen.

Eftersom Bergeron inkluderade sig själv, sin bror och deras föräldrar i studien för mänskliga data, kan hon se detta mönster i sin egen familj. "Jag bär på fler mutationer än min bror, eftersom min pappa var äldre när han fick mig," sa hon.

Faktorer som mognadstid och antal avkommor spelade också en roll för vissa ryggradsdjur, men i motsats till förväntningarna hittade forskarna ingen effekt relaterad till kroppsstorlek. Det finns en långvarig hypotes som varelser med större kroppsstorlekar borde ha fler mutationer eftersom de har fler celler och därmed fler möjligheter för DNA-kopieringsmaskineriet att göra misstag.

"Det var förvånande att se att generationstid verkade mycket viktigare än kroppsstorlek," sa Kelley Harris, en biträdande professor i genomvetenskap vid University of Washington. "I den tidigare litteraturen är dessa hypoteser mer jämställda."

Harris lovordade fynden som en spännande start på att svara på några av dessa stora frågor om vilka faktorer som är de viktigaste bestämningsfaktorerna för mutationshastigheten och därmed evolutionen. Utöver det antyder studien hur mycket biologisk mångfald som finns i naturen.

"Mångfalden i livet är inte bara hur djur ser ut", sa hon. Det finns "alla dessa egenskaper som du inte kan se, och att kunna observera det i studier som denna gör bara den biologiska mångfalden ännu mer spännande."