Davis, California, USA
January 12, 2022
Studying the genome of thale cress, a small flowering weed, led to a new understanding about DNA mutations. (Pádraic Flood)
- DNA mutations are not random as previously thought
- Findings change our understanding of evolution
- May help researchers breed better crops, fight cancer
A simple roadside weed may hold the key to understanding and predicting DNA mutation, according to new research from University of California, Davis, and the Max Planck Institute for Developmental Biology in Germany.
The findings, published today in the journal Nature, radically change our understanding of evolution and could one day help researchers breed better crops or even help humans fight cancer.
Mutations occur when DNA is damaged and left unrepaired, creating a new variation. The scientists wanted to know if mutation was purely random or something deeper. What they found was unexpected.
“We always thought of mutation as basically random across the genome,” said Grey Monroe, an assistant professor in the UC Davis Department of Plant Sciences who is lead author on the paper. “It turns out that mutation is very non-random and it’s non-random in a way that benefits the plant. It’s a totally new way of thinking about mutation.”
Researchers spent three years sequencing the DNA of hundreds of Arabidopsis thaliana, or thale cress, a small, flowering weed considered the “lab rat among plants” because of its relatively small genome comprising around 120 million base pairs. Humans, by comparison, have roughly 3 billion base pairs.
“It’s a model organism for genetics,” Monroe said.
Lab-grown plants yield many variations
Work began at Max Planck Institute where researchers grew specimens in a protected lab environment, which allowed plants with defects that may not have survived in nature be able to survive in a controlled space.
Sequencing of those hundreds of Arabidopsis thaliana plants revealed more than 1 million mutations. Within those mutations a nonrandom pattern was revealed, counter to what was expected.
“At first glance, what we found seemed to contradict established theory that initial mutations are entirely random and that only natural selection determines which mutations are observed in organisms,” said Detlef Weigel, scientific director at Max Planck Institute and senior author on the study.
Instead of randomness they found patches of the genome with low mutation rates. In those patches, they were surprised to discover an over-representation of essential genes, such as those involved in cell growth and gene expression.
“These are the really important regions of the genome,” Monroe said. “The areas that are the most biologically important are the ones being protected from mutation.”
The areas are also sensitive to the harmful effects of new mutations. “DNA damage repair seems therefore to be particularly effective in these regions,” Weigel added.
Plant evolved to protect itself
The scientists found that the way DNA was wrapped around different types of proteins was a good predictor of whether a gene would mutate or not. “It means we can predict which genes are more likely to mutate than others and it gives us a good idea of what’s going on,” Weigel said.
The findings add a surprising twist to Charles Darwin’s theory of evolution by natural selection because it reveals that the plant has evolved to protect its genes from mutation to ensure survival.
“The plant has evolved a way to protect its most important places from mutation,” Weigel said. “This is exciting because we could even use these discoveries to think about how to protect human genes from mutation.”
Future uses
Knowing why some regions of the genome mutate more than others could help breeders who rely on genetic variation to develop better crops. Scientists could also use the information to better predict or develop new treatments for diseases like cancer that are caused by mutation.
“Our discoveries yield a more complete account of the forces driving patterns of natural variation; they should inspire new avenues of theoretical and practical research on the role of mutation in evolution,” the paper concludes.
Co-authors from UC Davis include Daniel Kliebenstein, Mariele Lensink, Marie Klein, from the Department of Plant Sciences. Researchers from the Carnegie Institution for Science, Stanford University, Westfield State University, University of Montpellier, Uppsala University, College of Charleston, and South Dakota State University contributed to the research.
Funding came from the Max Planck Society, the National Science Foundation and the German Research Foundation.
Ein Schritt voraus: Wie Pflanzen gefährliche Mutationen vermeiden
Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana)
DNA-Mutationen treten nicht so zufällig auf, wie bisher angenommen wurde. Dies zeigen neue Forschungsergebnisse des Max-Planck-Instituts für Biologie Tübingen und der University of California Davis in den USA. Die Ergebnisse, die jetzt in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, haben das Potenzial, unsere Sichtweise der Evolution drastisch zu verändern. Die Erkenntnisse haben weitreichende Auswirkungen, von besseren Kenntnissen über die Domestizierung von Nutzpflanzen bis hin zu Vorhersagen über die Mutationslandschaft bei Krebserkrankungen.
Mutationen entstehen, wenn die DNA von Lebewesen beschädigt und dann nicht richtig repariert wird. Eine zentrale Annahme von Darwins Theorie der Evolution ist, dass Mutationen rein zufällig entstehen und dass nur die natürliche Auslese bestimmt, welche Gene sich im Laufe der Evolution schneller und welche langsamer verändern. Diese Grundannahme ist nun in Frage gestellt worden.
"Wir dachten immer, dass es keine Unterscheide gibt, wo Mutationen im Erbgut auftreten", sagt Grey Monroe, Assistenzprofessor am Department of Plant Sciences der UC Davis und Erstautor der Studie. "Jetzt stellt sich heraus, dass das Mutationsmuster gar nicht so willkürlich ist, sondern dass es auch in einer Weise variiert, die der Pflanze zugute kommt.
"Dies ist eine völlig neue Perspektive auf die Entstehung von Mutationen und die Art und Weise, wie die Evolution funktioniert", kommentiert Detlef Weigel, wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Biologie und Hauptautor der Studie.
Pflanzen schützen sich vor den schädlichsten Mutationen besonders gut
Die Forscher züchteten Exemplare des weit verbreiteten Unkrauts Arabidopsis thaliana in einer optimalen Laborumgebung, in der sich alle Pflanzen, auch solche mit schädlichen Mutationen, vermehren konnten. Solche schädlichen Mutationen würden normalerweise durch den Selektionsdruck in der Natur schnell wieder verschwinden und es wäre schwierig, sie nachzuweisen. Durch die Analyse der Genome von Hunderten von im Labor gezüchteten Pflanzen konnten die Forscher Tausende von Mutationen sozusagen in flagranti erwischen. Ausgefeilte statistische Analysen zeigten, dass diese Mutationen keineswegs zufällig im Genom verteilt waren, wie die Forscher erwartet hatten. Stattdessen gibt es Abschnitte des Genoms, in denen Mutationen selten waren, und andere, in denen Mutationen viel häufiger vorkamen. In den Regionen mit wenigen Mutationen waren Gene gehäuft, die in jeder Zelle benötigt werden und somit für das Überleben jeder Pflanze wichtig sind.
"Das sind die Regionen des Genoms, die am empfindlichsten auf die schädlichen Auswirkungen neuer Mutationen reagieren", sagt Weigel, "und die DNA-Reparatur scheint daher in diesen Regionen besonders effektiv zu sein." Es ist, als würde die Evolution mit gezinkten Würfeln spielen - sie minimiert das Risiko, dass die wichtigsten Gene geschädigt werden.
Eine neue Perspektive auf die klassische Evolutionstheorie
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die verschiedenen Arten von Proteinen, um die die DNA im Zellkern gewickelt ist, in hohem Maße mit dem Auftreten von Mutationen korrelierten. "Das gibt uns eine gute Vorstellung von dem verantwortlichen Mechanismus, so dass wir vorhersagen können, welche Gene mit größerer Wahrscheinlichkeit mutieren werden als andere", sagt Monroe.
Weigel betonte, wie völlig unerwartet die Ergebnisse im Lichte der klassischen Evolutionstheorie waren: "Es ist seit langem bekannt, dass im Laufe der Evolution in bestimmten Regionen des Genoms viel mehr Mutationen toleriert werden als in anderen Regionen. Auf den ersten Blick schien das, was wir gefunden haben, der akzeptierten Weisheit zu widersprechen, dass dies nur die natürliche Auslese widerspiegelt, die die meisten Mutationen entfernt, bevor sie tatsächlich beobachtet werden können", erklärt er. Doch trotz der ungleichmäßigen Verteilung von Mutationen in einem typischen Genom sind die wichtigen Regionen nicht völlig frei von ihnen, und diese Regionen können sich daher auch verändern, wenn auch langsamer als andere Teile des Erbguts.
Künftige Anwendungen in der Züchtung und Medizin
"Die Pflanze hat einen Mechanismus entwickelt, um ihre wichtigsten Gene vor Mutationen zu schützen", sagt Monroe. "Das ist spannend, denn wir könnten diese Entdeckungen vielleicht nutzen, um darüber nachzudenken, wie man menschliche Gene vor Mutationen schützen kann. In Zukunft könnte man damit vorhersagen, welche Gene am besten für die Züchtung geeignet sind, weil dort neue Mutationen besonders wahrscheinlich sind, oder welche Gene beim Menschen am ehesten Krankheiten verursachen.
Die Arbeiten wurden größtenteils am Max-Planck-Institut für Biologie (früher Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie) durchgeführt und werden nun sowohl dort als auch an der UC Davis fortgesetzt. Forscher der Carnegie Institution for Science, der Stanford University, der Westfield State University, der Universität Montpellier, der Universität Uppsala, des College of Charleston und der South Dakota State University waren ebenfalls an der Arbeit beteiligt. Finanziert wurde das Projekt von der Max-Planck-Gesellschaft, weitere Mittel kamen von der National Science Foundation und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Originalpublikation
Edit J. Grey Monroe, Thanvi Srikant, Pablo Carbonell-Bejerano, Moises Exposito-Alonso, Mao-Lun Weng, Matthew T. Rutter, Charles B. Fenster, Detlef Weigel: Adaptive mutation bias in Arabidopsis thaliana. Nature (2022).
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04269-6
Topics
Species
