Adaptiv mutatsiya

Adaptiv mutatsiya (adaptive mutation), shuningdek, yo'naltirilgan mutatsiya (directed mutation) yoki yo'naltirilgan mutagenez (directed mutagenesis) deb ham ataladi va u bahsli evolutsion nazariya hisoblanadi. Ushbu nazariya mutatsiyalar (mutations) yoki genetik o'zgarishlar an'anaviy evolyutsiya (evolution) tushunchasiga qaraganda kamroq tasodifiy va ko'proq maqsadli ekanligini taxmin qiladi. Bu organizmlar atrof-muhit streslariga javoban mutatsiyalarni muayyan genlarga yoki genom sohalariga yo'naltirish orqali javob bera olishini anglatadi. Kamida mikroorganizmlarda (microorganisms) adaptiv mutatsiya g'oyasini qo'llab-quvvatlashga (yoki rad etishga) qaratilgan turli xil tajribalar o'tkazilgan.

 Ta'rif 
Evolyutsiyaning eng keng tarqalgan nazariyasiga ko'ra, organizmlar tabiiy tanlanish (natural selection) natijasida o'zgaradi, bunda mutatsiyalar keltirib chiqargan o'zgarishlar ularning reproduktiv muvaffaqiyat imkoniyatlarini oshiradi. Adaptiv mutatsiya nazariyasi esa, mutatsiyalar va evolyutsiya tasodifiy bo'lishidan ko'ra, muayyan streslarga javoban sodir bo'lishini ta'kidlaydi. Boshqacha aytganda, yuzaga keladigan mutatsiyalar tasodifiy emas, balki berilgan stresga nisbatan ko'proq foydali va o'ziga xosdir. Stres atamasi harorat, ozuqa moddalari, populyatsiya hajmi va boshqalar kabi atrof-muhitdagi har qanday o'zgarishga nisbatan qo'llaniladi. Mikroorganizmlar bilan o'tkazilgan sinovlar shuni ko'rsatdiki, adaptiv mutatsiyada ma'lum bir stresdan keyin kuzatilgan mutatsiyalarning aksariyati ushbu stresni yengishda tasodifiy ehtimollikdan ko'ra samaraliroq bo'lgan. Ushbu adaptiv mutatsiya nazariyasi birinchi marta 1980-yillarda Jon Kerns (John Cairns) tomonidan akademik doiralarda e'lon qilingan.

 So'nggi tadqiqotlar 
Adaptiv mutatsiya bahsli da'vo bo'lib, ushbu g'oyani tekshirish uchun bir qator tajribalar o'tkazilgan. Uchta asosiy tajriba: SOS javob (SOS response), Escherichia coli bakteriyasidagi ochlikka javoblar va Saccharomyces cerevisiae (achitqi) dagi triptofan auksotrofi (tryptophan auxotroph) revertantlarini tekshirishdan iborat.

 Laktoza ochligi 
E. coli ning FC40 shtammi yuqori mutatsiya darajasiga ega, shuning uchun u adaptiv mutatsiya kabi tadqiqotlar uchun juda qulaydir. Siljish mutatsiyasi (frameshift mutation) — DNK ketma-ketligining boshqacha kodlanishiga olib keladigan o'zgarish tufayli FC40 laktozani qayta ishlay olmaydi. Laktozaga boy muhitga joylashtirilganda, hujayralarning 20% i Lac- holatidan (laktozani qayta ishlay olmaydigan) Lac+ holatiga mutatsiyaga uchragani aniqlandi, ya'ni ular endi o'z muhitidagi laktozadan foydalana oladi. Stresga javoblar joriy DNKda emas, balki DNK replikatsiyasi paytida rekombinatsiya va replikatsiya jarayonining o'zi orqali amalga oshiriladi. Bu adaptiv mutatsiya joriy bakteriyalarda sodir bo'lishini va keyingi avlodlarga meros bo'lib o'tishini anglatadi, chunki mutatsiya bakteriyaning genetik kodining bir qismiga aylanadi. Bu holat Kerns tadqiqotida ayniqsa aniq ko'rinadi; unda E. coli minimal laktoza darajasiga ega muhitga qaytarilgandan keyin ham, oldingi muhitga javoban Lac+ mutantlari ishlab chiqarilishi davom etgan. Agar adaptiv mutatsiya ish bermaganida, bu mumkin bo'lmas edi, chunki tabiiy tanlanish yangi muhitda ushbu mutatsiyani qo'llab-quvvatlamagan bo'lar edi. Adaptiv mutatsiyada ko'plab genlar ishtirok etsa-da, RecG oqsili adaptiv mutatsiyaga ta'sir qilishi aniqlangan. RecG o'z-o'zidan mutatsion fenotipga olib kelmasligi ma'lum bo'ldi. Biroq, u yovvoyi tur (wild type) hujayralarida revertantlarning (mutatsiyaga uchraganlar o'rniga oddiy ko'rinadigan hujayralar) paydo bo'lishini to'xtatishi aniqlandi. Boshqa tomondan, RecG mutantlari RecA-ga bog'liq mutatsiyalarning ifodalanishida muhim rol o'ynagan; bu mutatsiyalar SOS javob tajribalarida, masalan, laktozadan foydalanish qobiliyatida asosiy qismni tashkil etgan.

Adaptiv mutatsiya 1988-yilda laktozani metabolizm qilish qobiliyatiga ega bo'lmagan Escherichia coli bakteriyasini o'rgangan Jon Kerns tomonidan qayta taklif qilingan. U ushbu bakteriyalarni laktoza yagona energiya manbai bo'lgan muhitda (media) o'stirdi. Bunda u bakteriyalarning laktozani metabolizm qilish qobiliyatini rivojlantirish tezligi, agar mutatsiyalar haqiqatan ham tasodifiy bo'lganida kutilganidan ko'ra bir necha tartib (orders of magnitude) yuqori ekanligini aniqladi. Bu unga sodir bo'lgan mutatsiyalar laktozadan foydalanishda ishtirok etadigan genlarga «yo'naltirilgan» degan fikrni bildirishga turtki berdi.

Keyinchalik ushbu gipotezani o'sha paytda Alberta universitetida (University of Alberta) ishlagan Syuzan Rozenberg (Susan Rosenberg) qo'llab-quvvatladi. U 1989-yilda Kerns va uning hamkasblari tomonidan kuzatilgan yo'naltirilgan mutagenez uchun DNK rekombinatsiyasini ta'mirlashda ishtirok etuvchi recBCD fermenti zarurligini aniqladi. Yo'naltirilgan mutagenez gipotezasi 2002-yilda shubha ostiga olindi. O'shanda o'tkazilgan tadqiqotlar ushbu hodisa tanlangan gen amplifikatsiyasi (gene amplification) natijasida kelib chiqqan umumiy gipermutabillik (hypermutability) va undan keyingi tabiiy tanlanish bilan bog'liqligini hamda bu standart Darvinizm jarayoni ekanligini ko'rsatdi. Biroq, 2007-yildagi keyingi tadqiqotlar amplifikatsiya adaptiv mutatsiyani to'liq tushuntirib bera olmasligini va «laktoza tanlovining birinchi kunlarida paydo bo'lgan mutantlar bir bosqichda yuzaga keladigan haqiqiy revertantlardir» degan xulosaga keldi.

 SOS javob 
Ushbu tajriba boshqalardan biroz farq qiladi: bu tajriba adaptiv mutatsiyaga olib keladigan yo'llar bilan shug'ullanadi, boshqalari esa mikroorganizmlar duch keladigan o'zgaruvchan muhitni sinovdan o'tkazadi. E. coli dagi SOS javob (SOS response) — bu ta'mirlanishi kerak bo'lgan DNK shikastlanishiga qarshi reaktsiya. Oddiy hujayra sikli (cell cycle) to'xtatiladi va mutagenez boshlanishi mumkin. Bu shikastlanishni tuzatish uchun mutatsiyalar sodir bo'lishini anglatadi. Ushbu gipermutatsiya (hypermutation) yoki o'zgarish tezligining oshishi javobi qandaydir tartibga solish jarayoniga ega bo'lishi kerak va bu jarayondagi asosiy molekulalar RecA va LexA hisoblanadi. Bu oqsillar ushbu va boshqa jarayonlar uchun «svetofor» vazifasini o'taydi. Shuningdek, ular E. coli dagi adaptiv mutatsiyaning asosiy ishtirokchilari bo'lib ko'rinadi. Ulardan birining yoki boshqasining mavjudligidagi o'zgarishlar SOS javobiga ta'sir qilishi va bu o'z navbatida hujayralarning laktozani qayta ishlash qobiliyatiga ta'sir qilishi ko'rsatildi (buni laktoza ochligi tajribasi bilan adashtirmaslik kerak). Bu yerda tushunilishi kerak bo'lgan asosiy jihat shundaki, adaptiv mutatsiya sodir bo'lishi uchun LexA va RecA oqsillarining ikkalasi ham talab qilinadi va SOS javobisiz adaptiv mutatsiya imkonsiz bo'lar edi.

 Achitqi 
Fon Borstel 1970-yillarda achitqilar, xususan, Saccharomyces cerevisiae bilan laktoza ochligi tajribasiga o'xshash tajribalar o'tkazdi. U triptofan auksotrofi revertantlarini tekshirdi. Triptofan auksotrofi triptofanni o'zi ishlab chiqara olmaydi, lekin yovvoyi turdagi hujayralar buni qila oladi, shuning uchun revertant triptofan ishlab chiqarish qobiliyatiga ega bo'lgan normal holatga qaytadi. U achitqi koloniyalari triptofanga boy muhitdan minimal muhitga o'tkazilganda, revertantlar bir necha kun davomida paydo bo'lishda davom etishini aniqladi. Achitqilarda kuzatilgan revertantlar darajasi bakteriyalardagi kabi yuqori emas edi. Boshqa olimlar ham shunga o'xshash tajribalar o'tkazgan, masalan, Xoll gistidin revertantlarini, Stil va Jinks-Robertson esa lizinni sinab ko'rishgan. Ushbu tajribalar genetik rekombinatsiya (genetic recombination) va DNK replikatsiyasi (DNA replication) adaptiv mutatsiya uchun qanchalik zarurligini ko'rsatadi. Biroq, lizin bilan tekshirilgan hujayralarda rekombinatsiya hatto tanlov (seleksiya) bo'lmaganda ham sodir bo'lishda davom etgan. Stil va Jinks-Robertson rekombinatsiya har qanday sharoitda — adaptiv yoki boshqacha bo'lishidan qat'i nazar sodir bo'ladi, mutatsiyalar esa faqat foydali va adaptiv bo'lganda mavjud bo'ladi degan xulosaga kelishgan.

Seleksiya paytida mutatsiyalar ishlab chiqarilishi bakteriyalardagidek jadal bo'lmasa-da, bu tadqiqotlar ishonchlidir. Yuqorida aytib o'tilganidek, keyingi tadqiqot lys2 natijalariga yanada ko'proq ahamiyat beradi. Stil va Jinks-Robertson xromosomalararo rekombinatsiya hodisalari tufayli LYS prototroflari bo'linmaydigan hujayralarda ham paydo bo'lishda davom etishini aniqladilar, ammo bu holda, rekombinantlar ishlab chiqarilishi ular uchun seleksiya bo'ladimi yoki yo'qmi, davom etavergan. Shunday qilib, mutatsiya statsionar fazada faqat adaptiv bo'lganda sodir bo'lgan, ammo rekombinatsiya adaptiv bo'lishidan qat'i nazar yuz bergan.

Mutantlarning kechikib paydo bo'lishi Candida albicans uchun ham xabar qilingan. Og'ir metallarning subletal (o'limga olib kelmaydigan darajadagi) konsentratsiyalariga uzoq vaqt ta'sir qilganda, chidamli hujayralar koloniyalari 5–10 kundan keyin paydo bo'la boshlagan va undan keyin 1–2 hafta davomida paydo bo'lishda davom etgan. Bu chidamlilik gen amplifikatsiyasi natijasida yuzaga kelgan bo'lishi mumkin, garchi fenotiplar qisqa muddatli noselektiv o'sish davrida barqaror bo'lgan bo'lsa-da. Biroq, ikkita auksotrofiyaning revertantlari ham shunga o'xshash kinetika bilan paydo bo'lgan. Candida albicans dagi ushbu hodisalarning hech biri hali qo'llanilgan seleksiyaga xos ekanligi isbotlanmagan.