Бельгийские микробиологи выяснили, что скорость приобретения мутаций, которая раньше считалась более или менее постоянной, в действительности может довольно быстро меняться во времени в условиях сильного стресса. Кишечные палочки, которых выращивали в высоких концентрациях спирта, выживали при наличии в популяции определенных аллелей генов, позволяющих им мутировать с высокой скоростью, причем вначале скорость приобретения мутаций значительно возрастала, а после возникновения адаптации падала до исходных значений. Контроль этого снижения происходит за счет механизмов клеточной смерти. Исследование опубликовано в eLife.

Адаптация разных штаммов Escherichia coli к повышающейся концентрации спирта. Toon Swings et al / eLife, 2017

Геномы всех организмов постоянно меняются. В процессе репликации ДНК, например, последовательность ее не всегда повторяется с максимальной точностью. Соответствующие изменения называются мутациями. Мутации необходимы для эволюции организмов — то есть для их приспособления к окружающей среде и к ее меняющимся условиям. Однако приобретение мутаций происходит, как правило, с очень небольшой скоростью, потому что лишь малая часть мутаций оказывается полезной, а остальные либо ни на что не влияют, либо нарушают работу соответствующих генов — и рисковать здесь опасно. В клетке существуют механизмы, контролирующие скорость мутационного процесса, которые отслеживают его ход и с определенной эффективностью чинят «неправильные» места. Позволить геному мутировать очень быстро нельзя — при очень большом количестве изменений клетка, с большой вероятностью, погибнет. Однако полностью заблокировать этот процесс тоже невозможно — во-первых, это предотвратит все возможности адаптации организма к условиям среды, а значит, и всю эволюцию в целом, а во-вторых, будет связано с очень большими энергетическими затратами.

Скорость появления мутаций у живущих в природе бактерий обычно низкая — она составляет около 0,001 мутации на геном в каждом поколении. Как правило, этот показатель является более или менее постоянным. Показано, однако, что в стрессовых условиях он может меняться. Периодически некоторые бактерии в популяции проходят через фазу гипермутации, когда скорость появления мутаций у них повышается в десять — десять тысяч раз. Варианты (аллели) генов, способствующие появлению клеток-гипермутаторов, как правило, не закрепляются в популяции сами по себе. Они, как говорят ученые, «едут на попутках», где попуткой служат несколько других мутаций, которые действительно являются полезными для конкретной клетки. Таким образом, изначально появление аллелей-гипермутаторов в популяции скорее случайно, им просто «повезло» оказаться рядом с другими мутациями, зато потом они могут дать популяции возможность выжить в стрессовых условиях. Известно, что среди патогенных бактерий, живущих в лабораторных условиях, клетки-гипермутаторы появляются гораздо чаще; такие наблюдения были сделаны и для некоторых эукариотических клеток, в частности, для малярийных плазмодиев и паразитических грибов, а также для раковых клеток, которые с помощью гипермутаций приобретают, в том числе, свою особенную устойчивость к имунной системе и лекарственным средствам.

Гипермутации происходят, как правило, в условиях опасности для популяции — когда клетки подвергаются очень сильному стрессу и пытаются разработать способ выживания. Особенности динамики этого процесса, однако, до сих пор оставались не вполне ясны. В данном эксперименте ученые работали с разными лабораторными штаммами кишечной палочки Escherichia coli, обладающими разной скоростью появления мутаций. Их подвергали стрессу, близкому к летальному, помещая в высокую концентрацию этилового спирта, и оценивали после этого изменения в скорости их мутационного процесса и их адаптационные возможности.

Штаммы дикого типа в таких условиях практически никогда не выживали. Наилучшим образом адаптация прошла у популяций, которые увеличивали скорость появления мутаций в 2–70 раз. Вначале клетки почти не росли, а лишь накапливали мутации, а затем популяция начинала увеличиваться. Быстрое накопление мутаций, некоторые из которых оказывались полезными, помогало клеткам приобрести свойства, позволяющие им успешно выживать в среде с пятипроцентным содержанием спирта, и после этого они могли жить и размножаться в привычном темпе.

В следующем этапе эксперимента ученые работали с несколькими сотнями поколений кишечной палочки, которые два года выращивали в условиях повышающейся концентрации спирта. Из двадцати разных штаммов до концентрации свыше семи процентов дожили только восемь, и все они обладали высокой скоростью появления мутаций. После проведения секвенирования выяснилось, что все восемь штаммов содержали мутации в системе репликации и репарации ДНК (MMR), что, по-видимому, и обеспечивало высокую изменчивость их геномов. Это было подтверждено путем отдельного сравнения скоростей мутационного процесса у бактерий, несущих такие мутации, и бактерий дикого типа.

Подсчет количества мутаций в разное время у разных штаммов позволил исследовать динамику мутационного процесса и показал, что она достаточно гибка. После приобретения адаптации к определенному уровню этанола скорость появления мутаций снижается до исходных показателей, а при повышении его концентрации — вновь возрастает. Выяснилось, что гипермутантные аллели в клетках при этом никуда не исчезают, так что, по-видимому, снижение скорости появления мутаций связано с работой других супрессорных механизмов.

Скорость приобретения мутаций с течением времени при повышающейся концентрации этанола (по горизонтали – поколения, по вертикали – сверху красным обозначена концентрация этанола, снизу синим – скорость приобретения мутаций). Toon Swings et al / eLife, 2017

Дальнейшие эксперименты показали, что этим механизмом является, по-видимому, клеточная смерть. После того, как адаптация к новым условиям завершилась, клетки-гипермутанты быстро умирают, в результате чего в популяции остаются, в основном, клетки с нормальной скоростью появления мутаций. Такой контроль популяции за счет клеточной смерти, можно сказать, предопределен, поскольку достигается, главным образом, именно за счет быстрого накопления у гипермутантов мутаций, большинство из которых оказываются летальными.

Об исследованиях приспособления бактерий к разным стрессовым условиям, в том числе о двухфазной адаптации к антибиотикам, мы уже рассказывали, в том числе писали и о важности скорости приобретения мутаций. Ученые полагают, что исследование механизмов, связанных с гипермутаторами, поможет, в частности, в разработке лекарств, связанных с возникновением устойчивости бактерий к антибиотикам и раковых клеток к иммунному ответу и к химиотерапевтическим средствам.

Автор: Анна Казнадзей