Per rendere iconico, doppia elica contorta che spiega la diversità della vita, Le regole del DNA specificano che G si accoppia sempre con C, e A con T.

Ma, quando sarà tutto sommato, la quantità di contenuto di G+C vs A+T tra le specie non è una semplice percentuale fissa o, rapporto uno a uno standard.

Per esempio, negli organismi unicellulari, la quantità di contenuto di G+C può variare dal 72% in un batterio come Streptomyces coelicolor mentre il parassita protozoico che causa la malaria, Plasmondium falciparum, ha appena il 20 per cento.

Negli eucarioti unicellulari, il lievito contiene il 38% di G+C, piante come il mais hanno il 47 percento, e gli umani ne contengono circa il 41 percento.

La grande domanda è, perché?

"Questo è stato uno dei problemi di vecchia data nell'evoluzione del genoma, e precedenti tentativi di spiegarlo hanno comportato un considerevole sventolio del braccio, " ha detto Michael Lynch, che guida un nuovo Center for Mechanisms of Evolution presso il Biodesign Institute dell'Arizona State University.

C'è qualcosa nella natura chimica del DNA stesso che favorisce un nucleotide rispetto all'altro, o la distorsione della pressione di mutazione varia, e se così fosse, perché dovrebbe essere diverso tra le specie?

"In assenza di osservazioni chiave sul processo di mutazione, c'è stata una lotta per capire quale fosse il meccanismo, " ha detto Lynch.

Il gruppo di Michael Lynch ha ora dimostrato sperimentalmente che la composizione di G+C è generalmente fortemente favorita, mentre questo è spesso contrastato dalla pressione mutazionale di varie forze nella direzione opposta.

"In media, la selezione naturale o qualche altro fattore (possibilmente associato a forze ricombinanti) favorisce il contenuto G+C, indipendentemente dalla classe del DNA, dimensione del genoma di una specie, o dove la specie si trova sull'albero evolutivo della vita, " ha detto Lynch.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Natura Ecologia ed Evoluzione .

Sbagliare è universale

A guidare l'evoluzione sono le mutazioni del DNA, errori nel genoma che vengono introdotti e trasmessi alla generazione successiva, in modo che nel tempo, fornendo il carburante per l'invenzione di nuovi adattamenti o tratti.

Per entrare nel vivo della questione, gli scienziati volevano un modo per quantificare l'intero spettro delle mutazioni del DNA in laboratorio in un'ampia gamma di specie.

Questo ora può essere fatto in parte grazie alle nuove tecnologie per rendere il sequenziamento del DNA più veloce ed economico. Ha alimentato un'età d'oro della biologia sperimentale evolutiva.

"Abbiamo iniziato con la conoscenza dello spettro mutazionale che si verifica a livello del genoma in circa 40 specie esaminate nel mio laboratorio, " ha detto Lynch. "È possibile utilizzare tali informazioni per calcolare quale sarebbe la composizione GC in assenza di selezione. E poi possiamo confrontare questa aspettativa nulla con l'effettivo contenuto del genoma, la differenza è dovuta alla selezione."

In un esperimento tour de force che è il più grande sondaggio fino ad oggi, hanno esaminato ogni singola mutazione del DNA tra specie diverse, sequenziamento di miliardi di basi chimiche del DNA.

"Questo ha rappresentato un carico di lavoro molto consistente, sforzo e costo necessari per testare diversi modelli evolutivi ad alto potere statistico, " disse Hongan Long, un ricercatore post-dottorato che ha condotto gli esperimenti.

Hanno anche approfittato di un'analisi di 25 set di dati attuali di mutazioni e 12 nuovi esperimenti di accumulo di mutazioni (MA) (molti dal proprio laboratorio), compresi i batteri e un serraglio di organismi multicellulari compreso il lievito, vermi, moscerini della frutta, scimpanzé e umani.

Durante ogni esperimento MA, hanno eseguito il sequenziamento completo del genoma di circa 50 diverse linee batteriche che erano state passate attraverso gravi, colli di bottiglia di una singola cellula per migliaia di divisioni cellulari.

"Questo passaggio unicellulare di ogni linea agisce come un filtro, eliminando la capacità della selezione naturale di modificare l'accumulo di tutte le mutazioni tranne le più gravi e deleterie, dandoci una visione effettivamente imparziale del processo di mutazione, " disse Long.

Con ogni generazione, hanno misurato attentamente il tasso di mutazione, o ogni occorrenza di quando viene cambiata solo una singola lettera del DNA.

Ciò può avvenire in due modi:una singola coppia di basi del DNA G o C viene convertita nella direzione A+T; o può succedere il contrario, con una commutazione di base A o T in direzione G+C.

Dopo tutto il numero e l'elaborazione di dati, è emerso uno schema sorprendente tra il contenuto di G+C e le aspettative basate sulle mutazioni del DNA.

"Si scopre, sono correlati, " ha detto Lynch. "La composizione G+C è sempre più alta di quanto ti aspetti, basata sulla neutralità. Questo ci dice che c'è una selezione pervasiva. Quindi la mutazione guida il modello generale, ma la selezione per G e C su A e T aumenta il contenuto del genoma al di sopra dell'aspettativa mutazionale neutra.

Questo sembra essere quasi universalmente vero".

La fine dell'inizio

Ora che hanno mostrato la correlazione della composizione G+C, ha aperto la porta a molte altre domande, e risposte che restano sfuggenti.

"Una domanda è, 'perché lo spettro di mutazione cambia così drasticamente tra le specie'"? ha chiesto Lynch. "Le specie non hanno lo stesso spettro di mutazione. Ci sono specie i cui profili di mutazione sono più ricchi di AT e altri più ricchi di GC. Non conosciamo ancora i meccanismi alla base di tale divergenza nello spettro mutazionale".

Possono essere dovuti a semplici differenze nella chimica e nella biofisica.

Una forza generale che può essere rilevante è la stabilità del DNA, guidato dalla chimica delle lettere del DNA. Le forze che mantengono intatta la scala del DNA sono chiamate legami idrogeno. Le coppie G:C coinvolgono tre legami idrogeno, invece, Le coppie A:T ne coinvolgono solo due.

"Il pensiero prevalente è che più contenuto di G:C aggiunga stabilità al genoma, " ha detto Lynch.

Un'altra possibilità è durante la riproduzione, quando i filamenti di DNA si intrecciano da ciascun genitore per formare un uovo fecondato, possono verificarsi disallineamenti nell'accoppiamento di base, portando a errori che gli enzimi di correzione del DNA devono correggere in seguito. Qualche volta, un G può essere cambiato in A, o una T diventa una C, convertire i geni durante questo processo di riparazione del disadattamento.

"In genere si pensa che sia prevenuto verso G e C, " ha detto Lynch.

Ora, con la loro configurazione sperimentale in atto, Il team di Lynch è pronto a esplorare ulteriormente i meccanismi dell'evoluzione e le forze fondamentali dietro questo grande mistero.