Zainteresowania badawcze
genetyka adaptacji, genomika funkcjonalna, ewolucja eksperymentalna
Drożdże Saccharomyces cerevisiae, modelowy organizm genetyki i genomiki.
Mutacje spontaniczne, tempo powstawania, wartość selekcyjna, dominacja.
Planowe delecje genów jako narzędzie funkcjonalnej analizy genomów.
Molekularne mechanizmy buforowania ekspresji uszkodzeń mutacyjnych.
Wzrost, głód, stres - rola środowiska w ujawnianiu zmienności genetycznej.
Eksperymentalna ewolucja laboratoryjnych populacji mikroorganizmów.
Częstość występowania i efekty fenotypowe mutacji
Coraz liczniejsze dane wskazują, że tempo mutacji spontanicznych w skali całego genomu jest znacznie wyższe niż dawniej sądzono. Gromadzenie się mutacji może być realnym zagrożeniem dla dostosowania organizmów, zwłaszcza tych, które mają duże genomy i przechodzą wiele podziałów komórkowych w jednym pokoleniu. U takich organizmów, badanie powstawania mutacji i szacowanie ich wpływu na dostosowanie jest trudne, a często praktycznie niemożliwe. Drożdże są znacznie dogodniejszym materiałem badawczym. Przy tym, homologie wielu genów i całych systemów komórkowych są tak wyraźne, że drożdże są dobrym, chociaż bardzo uproszczonym, modelem organizmu eukariotycznego. W naszym laboratorium badamy mutacje powstające spontanicznie, indukowane chemicznie i te będące ściśle zaplanowaną zmianą w sekwencji DNA. Dążymy do określenia jak wiele z nich ma wpływ na dostosowanie, jaki jest kierunek i siła tego wpływu. Badania takie pozwolą na lepsze oszacowanie obciążenia mutacyjnego pojedynczych organizmów i całych populacji, włączając w to współczesne społeczeństwa ludzkie, gdzie poprawiające się warunki życia i postęp medycyny maskują bieżące efekty uszkodzeń genetycznych, ale za to zwiększają groźbę ich niekontrolowanego wzrostu.
Interakcje genetyczne i środowiskowe
Na efekt fenotypowy pojedynczej mutacji najczęściej ma wpływ nie tylko sama zmiana genetyczna, ale też oddziaływania z innymi genami oraz uwarunkowania środowiskowe. W odniesieniu do mutacji szkodliwych kluczowym staje się pytanie czy takie mutacje mogą wzajemnie wzmacniać swoje negatywne działanie i czy może to być dodatkowo spotęgowane niekorzystnymi warunkami środowiska. Wielu badaczy uważało i nadal uważa, że odpowiedź pozytywna jest najbardziej prawdopodobna. Nasze wyniki sugerują, że jest wręcz odwrotnie. Organizmy, które już wolno rosną na skutek mutacji lub stresu środowiskowego, będą proporcjonalnie mniej dotknięte przez następne mutacje i stresy. Wykazaliśmy to przez badanie dużej liczby binarnych interakcji pomiędzy delecjami funkcjonalnie zróżnicowanych genów w rozmaitych środowiskach. Prowadzi to do ogólnej hipotezy, że komórki są relatywnie najbardziej wrażliwe na zaburzenia funkcjonalne gdy osiągają wysokie tempo wzrostu. Należy teraz możliwie ściśle ustalić jakie są metaboliczne podstawy tego zjawiska. Pozwoliłoby to na przeniesienie zdobytej wiedzy do badań nad epistazą występującą u innych organizmów.
Uszkodzenia białek i uszkodzenia sieci metabolicznych
Substytucje pojedynczych aminokwasów najczęściej prowadzą do częściowego tylko zmniejszenia aktywności metabolicznej lub stabilności strukturalnej białka. Delecja genu prowadzi do całkowitej eliminacji produktu białkowego. Potencjalne konsekwencje mutacji jednego i drugiego typu nie ograniczają się tylko do kwestii ilości produktu. Białka zmutowane punktowo są wrażliwe na warunki środowiskowe ponieważ ich struktura trzeciorzędowa jest wrażliwa na temperaturę, stężenie osmotyczne, pH i inne czynniki fizyczne i chemiczne. Dlatego w niektórych środowiskach szkodliwy efekt mutacji może być bardzo mały a w innych niemal pełny. Co więcej, obecność zdeformowanego białka może prowadzić do negatywnych interakcji z innymi makromolekułami w komórce. Żaden z tych dwóch efektów nie wystąpi gdy białko jest zupełnie nieobecne. Efektem tych drugich mutacji jest trwałe uszkodzenie sieci metabolicznych. Porównywanie obu rodzajów mutacji pozwala na rozróżnienie efektu toksycznego zmutowanych polipeptydów i efektu rozregulowania sieci metabolicznych. Umożliwi też sprawdzenie, które z molekularnych narzędzi odpowiedzialnych za stabilność sieci metabolicznych - takich jak białka opiekuńcze, enzymy modelujące chromatynę, wielofunkcyjne czynniki transkrypcyjne - są szczególnie ważne w podtrzymywaniu sprawności metabolicznej komórek pomimo akumulacji uszkodzeń pojedynczych genów i ich całych systemów.
Eksperymentalne badanie ewolucji
Szybki wzrost mikroorganizmów, ogromna liczebność ich populacji i łatwość przechowywania w genetycznie niezmienionym stanie sprawiają, że są one idealnym materiałem do eksperymentalnego badania ewolucji biologicznej. Polega to na długotrwałym utrzymywaniu dużej, a przy tym stale lub periodycznie rozmnażającej się, populacji. Przy wielkiej liczebności, nawet rzadkie mutacje pojawiają się często i mogą okazać się korzystne dla ich nosicieli. Nie eksperymentator, ale wyższe dostosowanie (głównie tempo podziałów i przeżywalność) decyduje, który z nowych wariantów genetycznych rozprzestrzeni się w populacji. Jest to zatem eksperymentalny model doboru naturalnego, nie sztucznego, jakkolwiek prowadzonego w warunkach laboratoryjnych. Można w ten sposób badać tempo adaptacji do nowych środowisk i identyfikować zmiany genetyczne, które to umożliwiają. W szerszej perspektywie, takie eksperymenty pozwalają na oszacowanie znaczenia komponentów losowych, historycznych i adaptacyjnych w ewolucji biologicznej.