Om het iconische te maken, gedraaide dubbele helix die verantwoordelijk is voor de diversiteit van het leven, DNA-regels specificeren dat G altijd paren met C, en A met T.

Maar, als het allemaal is opgeteld, de hoeveelheid G+C versus A+T-gehalte tussen soorten is geen eenvoudig vast percentage of, standaard één-op-één verhouding.

Bijvoorbeeld, binnen eencellige organismen, de hoeveelheid G+C-gehalte kan variëren van 72 procent in een bacterie als Streptomyces coelicolor, terwijl de protozoaire parasiet die malaria veroorzaakt, Plasmondium falciparum, heeft slechts 20 procent.

Bij eencellige eukaryoten, gist bevat 38 procent G+C-gehalte, planten zoals maïs hebben 47 procent, en mensen bevatten ongeveer 41 procent.

De grote vraag is, waarom?

"Dit is een van de al lang bestaande problemen in de evolutie van het genoom, en eerdere pogingen om het uit te leggen, brachten veel armzwaaien met zich mee, " zei Michael Lynch, die een nieuw Center for Mechanisms of Evolution leidt aan het Biodesign Institute van de Arizona State University.

Is er iets in de chemische aard van DNA zelf dat de ene nucleotide bevoordeelt boven de andere, of varieert de vooringenomenheid van mutatiedruk, en als het zo is, waarom zou dit tussen soorten anders zijn?

"Bij gebrek aan belangrijke observaties over het mutatieproces, er is een strijd geweest om te doorgronden wat het mechanisme is, ' zei Lynch.

De groep van Michael Lynch heeft nu experimenteel aangetoond dat de samenstelling van G+C over het algemeen sterk de voorkeur geniet, terwijl dit vaak wordt tegengewerkt door mutatiedruk van verschillende sterktes in de tegenovergestelde richting.

"Gemiddeld, natuurlijke selectie of een andere factor (mogelijk geassocieerd met recombinatiekrachten) bevordert het G+C-gehalte, ongeacht de klasse van DNA, grootte van het genoom van een soort, of waar de soort wordt gevonden op de evolutionaire levensboom, ' zei Lynch.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurecologie en evolutie .

Fouten maken is universeel

De drijvende kracht achter evolutie zijn DNA-mutaties, fouten in het genoom die worden geïntroduceerd en doorgegeven aan de volgende generatie, zodat na verloop van tijd als brandstof voor de uitvinding van nieuwe aanpassingen of eigenschappen.

Om tot de kern van de zaak te komen, de wetenschappers wilden een manier om het volledige spectrum van DNA-mutaties in het laboratorium over een breed scala aan soorten te kwantificeren.

Dit kan nu gedeeltelijk worden gedaan door nieuwe technologieën om DNA-sequencing sneller en goedkoper te maken. Het heeft een gouden eeuw van evolutionaire experimentele biologie aangewakkerd.

"We zijn begonnen met kennis van het mutatiespectrum dat voorkomt op genoomniveau in ongeveer 40 soorten die in mijn laboratorium zijn onderzocht, "zei Lynch. "Je kunt dergelijke informatie gebruiken om te berekenen wat de GC-samenstelling zou zijn als er geen selectie zou zijn. En dan kunnen we deze nulverwachting vergelijken met de werkelijke genoominhoud, het verschil is te wijten aan selectie."

In een tour de force-experiment dat de grootste enquête tot nu toe is, ze onderzochten elke afzonderlijke DNA-mutatie bij verschillende soorten, het sequencen van miljarden DNA-chemische basen.

"Dit vertegenwoordigde een zeer aanzienlijke werklast, inspanning en kosten die nodig waren om verschillende evolutionaire modellen met een hoog statistisch vermogen te testen, " zei Hongan Long, een postdoctoraal onderzoeker die de experimenten leidde.

Ze maakten ook gebruik van een analyse van 25 huidige datasets van mutaties en 12 nieuwe mutatie-accumulatie (MA) experimenten (veel uit hun eigen laboratorium), met inbegrip van bacteriën en een menagerie van meercellige organismen, waaronder gist, wormen, fruitvliegjes, chimpansees en mensen.

Tijdens elk MA-experiment, ze voerden volledige genoomsequencing uit van ongeveer 50 verschillende bacteriële lijnen die door ernstige, eencellige knelpunten voor duizenden celdelingen.

"Deze eencellige passage van elke lijn werkt als een filter, het elimineren van het vermogen van natuurlijke selectie om de accumulatie van alle behalve de meest ernstige en schadelijke mutaties te wijzigen, ons een effectief onbevooroordeeld beeld geven van het mutatieproces, ' zei Lang.

Met elke generatie, ze hebben zorgvuldig de mutatiesnelheid gemeten, of elke keer dat slechts een enkele DNA-letter wordt gewijzigd.

Dit kan op twee manieren gebeuren:een enkel G- of C-DNA-basenpaar wordt omgezet in de A+T-richting; of het tegenovergestelde kan gebeuren, met een A- of T-basis die in de G+C-richting schakelt.

Na al het geknoei met cijfers en data, er ontstond een opvallend patroon tussen het G+C-gehalte en de verwachtingen op basis van DNA-mutaties.

"Het blijkt, ze zijn gecorreleerd, " zei Lynch. "De G+C samenstelling is altijd hoger dan je verwacht, gebaseerd op neutraliteit. Dat vertelt ons dat er alomtegenwoordige selectie is. Dus mutatie drijft het algemene patroon aan, maar selectie voor G's en C's boven A's en T's verhoogt het genoomgehalte boven de neutrale mutatieverwachting.

Dit lijkt bijna universeel waar te zijn."

Het einde van het begin

Nu ze de G+C samenstellingscorrelatie hebben laten zien, het heeft de deur geopend voor veel meer vragen, en antwoorden die ongrijpbaar blijven.

"Een vraag is, 'waarom verandert het mutatiespectrum zo dramatisch tussen soorten'"? vroeg Lynch. "Soorten hebben niet hetzelfde mutatiespectrum. Er zijn soorten waarvan de mutatieprofielen meer AT-rijk zijn en andere meer GC-rijk. We kennen de mechanismen achter zo'n divergentie in het mutatiespectrum nog steeds niet."

Ze kunnen te wijten zijn aan eenvoudige verschillen in chemie en biofysica.

Een algemene kracht die van belang kan zijn, is DNA-stabiliteit, gedreven door de chemie van de DNA-letters. De krachten die de DNA-ladder intact houden, worden waterstofbruggen genoemd. G:C-paren omvatten drie waterstofbruggen, terwijl, A:Bij T-paren zijn er maar twee.

"De heersende gedachte is dat meer G:C-gehalte bijdraagt ​​​​aan de stabiliteit van het genoom, ' zei Lynch.

Een andere mogelijkheid is tijdens de reproductie, wanneer de DNA-strengen van elke ouder met elkaar verstrengelen om een ​​bevruchte eicel te maken, mismatches kunnen optreden in de basenparing, wat leidt tot fouten die DNA-proeflezende enzymen later moeten herstellen. Soms, een G kan veranderen in een A, of een T wordt een C, het omzetten van genen tijdens dit mismatch-reparatieproces.

"Over het algemeen wordt gedacht dat het bevooroordeeld is ten opzichte van G's en C's, ' zei Lynch.

Nutsvoorzieningen, met hun experimentele opstelling, Het team van Lynch staat klaar om de mechanismen van evolutie en fundamentele krachten achter dit grote mysterie verder te onderzoeken.