Den här bilden är en förenklad representation av det klassiska fitnesslandskapet. Om en mutation inträffar kommer organismen normalt att falla från toppen av toppen i diket, förlora konditionen och sannolikt inte överleva eller reproducera sig. Kredit:OIST
Det som i grunden skiljer en människa från alla andra levande varelser beror på skillnader i DNA-sekvenser - en uppsättning genetiskt ärvda molekyler som finns i varje cell i varje organism. Dessa skillnader har ackumulerats under miljontals år, främst via slumpmässiga mutationer - i princip fel i hur DNA kopierades. De flesta av dessa mutationer påverkar organismen negativt och kommer sannolikt att leda till att den dör innan den har en chans att fortplanta sig. Vissa kommer dock positivt eller neutralt att påverka organismen och spridas genom befolkningen. Dessa misstag i DNA-sekvenser har resulterat i den mångfald av liv vi ser runt om i världen idag. Men många aspekter av hur dessa mutationer kan öka konditionen är fortfarande dåligt förstådda.
"Vi har lyckats experimentellt visa, för första gången, ett koncept om mutation och evolution som tidigare bara har varit teoretiskt förutsatt", säger Prof. Yohei Yokobayashi, som leder till Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit vid Okinawa Institute of Science och Technology Graduate University (OIST). "Det kallas ett neutralt nätverk och det anses vara avgörande för att öka mångfalden i en befolkning." Denna forskning publicerades i Nature Communications .
Gener, som består av DNA-baspar, innehåller instruktionerna som behövs för att skapa proteiner och leder till korrekt vård och underhåll av en cell. För att instruktionerna ska kunna utföras måste DNA först transkriberas till RNA. Således är RNA som en reflektion av DNA.
Det finns fyra standardbaspar för RNA och DNA. För RNA är dessa A, G, C och U. Prof. Yokobayashi förklarade konceptet med ett neutralt nätverk genom att ge ett exempel på en förenklad sekvens av RNA-baser.
"Säg, RNA-sekvensen AAAAAAA muterar till AAAUAAA, som sedan muterar till GAAUAAA. Den första varianten är kopplad till den andra, som är kopplad till den tredje med bara en enda mutation. Om dessa mutationer bibehåller samma kondition, kan organismen överleva, och mutationen kan ärvas av framtida generationer. Detta ökar den övergripande mångfalden, och mångfald är avgörande för att en art ska kunna anpassa sig till förändringar i miljön."
Den här bilden är en förenklad representation av ett fitnesslandskap när det finns ett neutralt nätverk. När det finns en mutation bibehålls konditionen. Kredit:OIST
Ett neutralt nätverk är en hel serie av bassekvenser precis som denna (om än mycket längre), där varje ny sekvens, som skiljer sig med bara en bas, har ungefär samma kondition som den före och efter. Forskare har misstänkt deras existens under en tid, men de är mycket svåra att bevisa experimentellt. Ursprungligen förutsattes att alla RNA-sekvensutrymmen skulle ha en möjlighet att hysa ett stort neutralt nätverk, men ingen har någonsin hittat dessa storskaliga neutrala nätverk i praktiken.
I den här studien tittade forskarna på en typ av RNA som kallas ett ligasribozym, som tidigare hade syntetiserats men som inte var känt för att utgöra ett neutralt nätverk. De valde detta ribozym eftersom dess funktion är att koppla ihop eller ligera två RNA-bitar. Denna roll har viktiga konsekvenser för livets ursprung eftersom den är avgörande för självreplikering.
Hela ribozymet har cirka 80 baspar, men forskarna fokuserade på ett område på 35 baspar som är viktigt för ribozymets funktion och därmed för att mäta dess totala kondition.
Genom beräkningssekvensdesign med hjälp av en evolutionär algoritm och djupinlärning designade forskarna många mutanter av detta ribozym och bestämde experimentellt deras kondition. Det slutade med att de testade mer än 120 000 varianter och kunde öka andelen neutrala varianter i den designade befolkningen från cirka 10 % till nästan 90 %.
De valde sedan en av varianterna som de hade identifierat. Detta skilde sig från det ursprungliga ribozymet med 16 mutationer. De screenade alla olika vägar som kunde ha tagits för att komma från det ursprungliga ribozymet till den nya varianten, en mutation i taget i 16 steg, och fann 65 536 olika varianter varav 60 % var funktionella.
Mutationer måste hålla en liknande konditionsnivå jämfört med den före och efter dem om mångfalden ska öka. Om mutationen påverkar varianten negativt, kommer vägen att nå andra varianter inte att vara tillgänglig. Bilden ovan visar en kort sekvens och de mutationer som kommer från den. Som man kan se håller mutationerna antingen samma konditionsnivå som den före dem och fortsätter att bilda nya mutanter, eller så har de lägre konditionsnivå och dör ut. Observera att sekvensen bara är ett exempel och inte specifikt relaterar till denna forskning. Kredit:OIST
Forskarna tittade sedan på de vägar som bara innehöll funktionella mutationer och fann att 10 % av vägarna var tillgängliga.
"Detta är ganska högt", sa Ph.D. kandidat och första författare, Rachapun Rotrattanadumrong. "Andra experimentellt arbete har aldrig hittat ett så stort antal tillgängliga vägar mellan två varianter."
Forskarna betonade att detta experimentella bevis på ett neutralt nätverk har visat att det är möjligt för neutrala nätverk att bildas i ett RNA-sekvensutrymme, men inte så omfattande som det teoretiska arbetet skulle få dem att tro. En annan intressant fråga kan vara att titta på vilka egenskaper som behövs för att den här typen av nätverk ska bildas.
"Detta arbete kommer att tillåta människor att experimentellt testa många hypoteser," fortsatte Rotrattanadumrong. "Vi har tillhandahållit den första experimentella datauppsättningen av ett neutralt nätverk. Det kommer att tillåta forskare att svara på frågor om hur RNA utvecklats och fortsätter att utvecklas." + Utforska vidare
