Das Verständnis von Mutationsvorgängen in einer Zelle bietet Hinweise auf die Entwicklung eines Genoms. Am aktivsten werden Mutationsprozesse in menschlichen Krebszellen untersucht, während andere Genome oft vernachlässigt werden.
Ein Forscherteam untersuchte und verglich das Gesamtspektrum der Mutationen in Labor- und natürlichen E. coli (Darmbakterien) und kam zu dem Schluss, dass sie praktisch nicht zu unterscheiden sind. Der Ergebnisse werden in der vorgestellt Genombiologie und Evolution Tagebuch.
„Mutationen entstehen entweder im Prozess der Replikation – dem Kopieren von DNA, oder bei der ‚Reparatur‘ von DNA aufgrund von Strangbrüchen oder anderen Störungen. Das Reparatursystem kann auch Fehler machen.“
„Unterschiedliche Replikations- und Reparatursysteme machen unterschiedliche Fehler, und sie hängen vom Kontext ab. Typischerweise werden drei Nukleotide untersucht: das, an dem die Mutation aufgetreten ist, und zwei auf der rechten und linken Seite davon.“
„Ein typischer Satz von Mutationen zusammen mit den für ein bestimmtes System spezifischen Kontexten wird als Mutationssignatur bezeichnet. Beispielsweise haben Menschen Mutationssignaturen von UV-Exposition und Rauchen, die für bestimmte Krebsarten charakteristisch sind“, sagte der Leiter der Studie. Professor Mikhail Gelfand, der Direktor des Biozentrums von Skoltech.
Das Team führte eine erste Studie zum Mutationsprofil von E. coli durch – der Gesamtheit der Mutationssignaturen von Replikations- und Reparatursystemen. Der erste Schritt bestand darin, die Aufgabe an Oberstufenschülern im Rahmen der Summer School of Molecular and Theoretical Biology zu testen, wo die Forscher auch mit indischen Kollegen in Kontakt kamen, die experimentell an demselben Problem arbeiteten.
„Unsere Partner aus Indien lieferten Daten zu E. coli mit gestörten Replikations- und Reparatursystemen. Aus ihnen konnten wir reine Mutationssignaturen extrahieren, die für verschiedene Systeme charakteristisch sind, und dann die Mutationsprofile von E. coli in Signaturen zerlegen und verstehen, welche Systeme „Wir tragen mehr zu Mutationen bei“, fuhr Gelfand fort.
Die Wissenschaftler nutzten auch experimentelle Daten zur Langzeitentwicklung von E. coli. Diese seit über 30 Jahren laufende Laborstudie wird von Richard Lenski geleitet. Das Mutationsprofil von Laborstämmen wurde mit dem natürlicher Stämme verglichen.
„Wir haben herausgefunden, dass diese Profile ähnlich sind. Der Laborstamm lebt nicht unter Bedingungen, die denen in der Natur ähneln, daher ist dieses Ergebnis unerwartet. Darüber hinaus sprechen die Ergebnisse gegen die Idee, dass die Evolution von E. coli in der Natur stattgefunden hat.“ Die Umgebung umfasst abwechselnd Episoden normaler langsamer Evolution und kürzere Episoden beschleunigter Evolution in einem hyperveränderlichen Modus.
„Im Gegenteil, während der Evolution natürlicher E. coli-Stämme ist der Beitrag atypischer Mutationsregime zur Gesamtakkumulation von Mutationen unbedeutend“, sagte Gelfand.
Mehr Informationen:
Sofya K Garushyants et al., Mutational Signatures in Wild Type Escherichia coli Strains Reveal Predominance of DNA Polymerase Errors, Genombiologie und Evolution (2024). DOI: 10.1093/gbe/evae035