Eksperimento rezultatai evoliucinių 40.000 kartų seniai • Aleksandras Markovas • Mokslas News "Elements" • Genetika, evoliucija

Apibendrino evoliucinį eksperimentą, kurio ilgis siekė 40 000 kartų

Kolbos su 12 eksperimentinių Escherichia coli populiacijų. Kiekviena iš šių grupių 20 metų vystėsi atidžiai prižiūrint mokslininkams. Nagrinėjamame straipsnyje "Gamta" aptariami evoliuciniai pokyčiai, kurie įvyko A-1 populiacijoje. Nuotraukos iš en.wikipedia.org

Per unikalų eksperimentą, kuris truko daugiau nei 20 metų, buvo galima išsamiai atsekti evoliucinius pokyčius Escherichia coli populiacijoje Escherichia coli daugiau nei 40 000 kartų. Pirmoje eksperimento pusėje populiacijoje buvo daugiausia naudingos mutacijos, padidintos bakterijų tinkamumas. Labiausiai netikėtas rezultatas buvo naudingų mutacijų kaupimosi normos pastovumas. Iki šiol buvo manoma, kad neutralios mutacijos turėtų kauptis pastoviu greičiu, bet ne naudingos, bet eksperimentu viskas pasirodė priešinga. Eksperimento viduryje populiacijoje buvo nustatyta mutacija, kuri smarkiai padidino mutagenezės greitį. Po to, mutacijos pradėjo fiksuoti greičiau, tačiau dažniausiai jos buvo neutralios, netinkamos, mutacijos.

Ilgaamžė biologų svajonė tiesiogiai lyginti evoliucijos lygius genomo ir organizmo lygmeniu pagaliau pradėjo išgyventi.Iki šiol šioje srityje daugiausia reikėjo teorinių sumetimų ir matematinių modelių. Unikalus eksperimentas, kurį 1988 m. Pradėjo tarptautinė mokslininkų grupė, vadovaujama Richardo Lenskio (Richard E. Lenski), beprecedentis išsamumo lygis leido atsekti evoliucijos eigą tiek genomo lygiu (mutacijos dažniu), tiek viso organizmo lygmeniu (vystymosi greitis adaptacijos).

Eksperimentas atliekamas lygiagrečiai su 12 populiacijomis. E. coli, bet nagrinėjamoje straipsnyje nagrinėjamas tik vienas iš jų. Bakterijos auginamos "mažiausią" maistinę terpę (žr.: Minimali augimo terpė), kurioje bakterijų augimą ribojantis veiksnys yra maisto trūkumas (gliukozė). Kiekvieną dieną 0,1 ml turinio imamas iš mėgintuvėlio su mikrobais ir dedamas į naują vamzdelį su 9,9 ml šviežios maistingosios terpės. Periodiškai dalis gyventojų užšaldoma -80 ° C temperatūroje ir laikoma tolesniam tyrimui. Tai yra protinga, nes analizės metodai – ypač genomų sekų nustatymo metodai ("rodmenys") – sparčiai vystosi ir tampa vis pigesni, kaip greitai.Iki šiol autoriai visiškai atsekvevenirovy bakterijų genoms nuo 0 kartų (protėvių padermės), 2000, 5000, 10 000, 15 000, 20 000 ir 40 000 kartų.

Reguliariai atliekamas gyventojų "tinkamumo" vertinimas. Dėl to "eksperimentinių" mikrobų reprodukcijos lygis yra lyginamas su kontrole pažymėtu kamienu (tinkamumo vertinimo metodui žr. Pastabą. Eksperimentai su kirminiais parodė, kad patinai yra naudingi dalykai, "Elements", 2009 m. Spalio 23 d.).

Eksperimento trukmė ir gyventojų dydis buvo pakankami, kad atsitiktinės mutacijos metu kiekviena iš galimų taškų mutacijų (nukleotidų pakaitalų) atsirastų daugiau nei vieną kartą (eksperimentinio E. coli genomo genomo dydis buvo 4,6 x 106 nukleotidų poros).

Kuo skiriasi mutacijos "atsiradimas" ir jo "fiksavimas" (fiksavimas). Ne kiekviena atsiradusi mutacija yra fiksuota (fiksuota) populiacijoje. Kiekviena mutacija iš pradžių pasireiškia tik viename mikrobai. Tam, kad būtų padaryta mutacija, šios mikrobės palikuonys turi išstumti visus kitus mikrobus jų mėgintuvėlyje. Galima pašalinti žalingą mutaciją pasirinkimu. Naudinga mutacija, veikianti atrankos metu, gali būti nustatyta, ty skleisti populiaciją ir pasiekti šimtą procentų dažnio, tačiau ji taip pat gali būti netyčia prarasta, kol jos vežėjai dar neturėjo laiko tinkamai reprodukuoti.Galiausiai neutralios mutacijos, remiantis esamais teoriniais modeliais, turėtų būti nustatomos pastoviu greičiu, lygiu mutacijos greičiui. Neutralios mutacijos pasireiškimo populiacijoje dažnis svyruoja pagal atsitiktinio pasivaikymo algoritmą (žr. Atsitiktinį pasivaikščiojimą), kol jis netyčia pasiekia 0% (visiškai eliminuojant) ar 100% (fiksavimo) vertę. Paradoksalu, kad neutraliųjų mutacijų fiksavimo greitis nepriklauso nuo gyventojų skaičiaus. Tai paaiškinama tuo, kad kuo didesnė populiacija, tuo dažniau joje įvyksta mutacijos, bet kuo mažesnė kiekvieno iš jų nustatymo tikimybė. Kaip rezultatas, populiacijos dydis lygtyje yra tiesiog sumažintas.

Pirmosioms 20 000 kartoms eksperimentinėje populiacijoje buvo nustatytos 45 mutacijos, tarp jų 29 vienetinių nukleotidų pakaitalų ir 16 kitų mutacijų (įterpimai, nuosėdos, inversijos, judančių elementų įterpimas). Įdomiausia tai, kad mutacijų kaupimosi greitis šiame etape buvo griežtai pastovus (visi nukrypimai nuo linijinio modelio yra statistiškai nereikšmingi), o fitnesas iš pradžių labai greitai augo, o jo augimas sulėtėjo (žr. Paveikslą).

Remiantis teorija, pastovi fiksavimo norma yra būdinga neutralioms mutacijoms. Tačiau visos 45 mutacijos negalėjo būti neutralios. Akivaizdu, kad bent kai kurie iš jų buvo naudingi – tai liudija fitneso augimas. Rezultatus nėra labai lengva susieti su hipoteze, kad visos 45 mutacijos buvo naudingos. Autoriai apsvarsto keletą paprastų modelių su skirtingais pirminių prielaidų rinkiniais, iš kurių matyti, kad jei visos mutacijos būtų naudingos, abi vertybės – tinkamumas ir sukauptų mutacijų skaičius – turėtų pasikeisti panašiu būdu, tai yra, auga pastoviu greičiu arba lygiagrečiai sulėtinti.

Paprasčiausias galimas paaiškinimas yra tas, kad tarp 45 atliktų mutacijų dauguma buvo neutralūs, tačiau kai kurie buvo naudingi, dauguma naudingų mutacijų buvo nustatytos netrukus po eksperimento pradžios. Galimybės "naudingos mutacijos" buvo gana greitai išnaudotos, ir ateityje buvo įrašytos daugiausia neutralios mutacijos.

Sukaupta mutacija (mėlynos linijos ir apskritimai) ir fitneso augimo (žalios linijos ir aikštės) eksperimentinėje populiacijoje. Išilgai horizontalios ašies – kartos numeris. Galima suprasti, kad fiksuotų mutacijų skaičius išaugo linijiškai (plonos suskilusios linijos apibūdina linijinio modelio 95% patikimumo intervalus). Pirmiausia fitnesas labai greitai augo, o jo augimas sulėtėjo. Žalias kvadratas "šokinėja" aukštyn ir žemyn, palyginti su žalia linija, neviršija statistinės paklaidos ribos, ty nereikia specialių paaiškinimų. Nedidelėje diagramoje apatiniame dešiniajame kampe staigiai pagreitėjo mutacijų kaupimasis, kuris buvo pradėtas maždaug nuo 26,000 kartų, kai populiacijoje buvo stebima mutacija, o tai padidina mutagenezės greitį. Pav. iš aptariamo straipsnio Gamta

Vis dėlto autoriai nurodo keturis rimtus prieštaravimus dėl tokio paaiškinimo.

1) Esant neutralių mutacijų dominavimui, sinonimų nukleotidų pakaitalų skaičius turėtų būti smarkiai išaugintas (tai yra, tokie DNR pokyčiai, dėl kurių baltymų aminorūgščių seka nesikeičia). Priešingai nei šie lūkesčiai, visi be išimties fiksuotos mutacijos genų kodavimo regionuose yra reikšmingos (nesinoniminės).

2) Esant neutralių mutacijų dominavimui, turėtume tikėtis, kad 12 eksperimentinių populiacijų (11 iš jų visiškai genomų dar nebuvo sekvenuojamos) virš 20 000 kartų, mutacijos buvo nustatytos skirtinguose genuose.Priešingai, tų pačių genų mutacijos, kurios nepriklausomai buvo nustatytos skirtingose ​​populiacijose, būtų įrodinėję, kad mutacijos buvo fiksuotos dėl atrankos, o ne dėl genetinio dreifo (t. Y., Mutacijos buvo naudingos). Norėdami tai patikrinti, autorekai atsekvevenirovany bakterijos generuoja Nr 20.000 iš likusių vienuolikos eksperimentinių populiacijų iš 14 genų, kuriame "pagrindiniai" eksperimentiniai gyventojai įtvirtino mutacijas. Pasirodo, kad daugeliu atvejų kitose populiacijose šie genai taip pat pasikeitė.

3) Jei dauguma mutacijų buvo neutralios, šiose lokyse pastebimas reikšmingas intrapopuliacijos kintamumas (nes veiksmingos mutacijos pagal atrankos poveikį greitai nustatomos, o neutralios mutacijos pirmiausia turi "atsitiktinai banguoti" ilgą laiką nuo nulio iki 100 proc. Dažnio). Ši prielaida nebuvo patvirtinta.

4) Padedant genų inžinerijai, autoriai galėjo tiesiogiai nustatyti 9 mutacijų naudingumo laipsnį iš nagrinėjamos 45. Šios mutacijos buvo dirbtinai įvestos į protėvių kamieno genomą. Iš aštuonių atvejų iš devynių bakterijų prisitaikomumas labai išaugo.Kalbant apie devintąją mutaciją, autoriai mano, kad tai taip pat naudinga, bet ne pati savaime, bet kartu su kitomis mutacijomis, nes tiksliau ta pati mutacija buvo įtvirtinta ir kitose eksperimentinėse populiacijose. Palyginimui, kitame eksperimente atsitiktinės mutacijos buvo įvestos po vieną į Escherichia coli genomą, o nė viena iš 26 mutacijų neturėjo nieko gero fitneso.

Taigi, pirmosioms 20 000 kartoms populiacijoje buvo užfiksuoti daugiausia naudingų mutacijų, ir jų fiksavimas vyko pastoviu greičiu. Atrodo, kad lėtesnis fitneso augimas buvo dėl to, kad vidutinis mutacijų naudingumo laipsnis palaipsniui mažėjo. Labiausiai radikalūs prisitaikantys pokyčiai įvyko per pirmąsias 2000 kartų, o tada galbūt buvo labiau subtilus fenotipo optimizavimas.

Iki šiol tai buvo tik pirmoji eksperimento pusė. Antroje pusėje eksperimentinės gyventojų evoliucinė dinamika radikaliai pasikeitė. Faktas yra tai, kad po 26 000 kartų genoje buvo nustatyta mutacija mutT. Šis genas koduoja baltymą, kuris yra susijęs su DNR atkūrimu ("remontas"). Dėl to mutacijos dažnis labai išaugo.Dėl šios priežasties mutacijų fiksavimo dažnis padidėjo daugiau nei eilės dydžiu. Antroje eksperimento pusėje buvo užfiksuota 609 mutacijų – 13,5 karto daugiau nei pirmosiose 20 000 kartų.

Panašios jų funkcijos mutacijos, kurios padidino mutagenės greitį, buvo nustatytos keliose kitose eksperimentinėse populiacijose. Iš to išplaukia, kad mutagenės greičio padidėjimas suteikė bakterijoms prisitaikymo pranašumą. Tai, beje, prieštarauja bendros idėjos, kad stabiliomis sąlygomis, kūnas būtų naudinga sumažinti mutacijos greitis iki nulio – ir tai neįvyks tik dėl techninio negalimumo užtikrinti visišką tikslumą DNR kopijavimo (žr: V. Ščerbakovas. 2005).

"Esmines" gyventojų, tai mutacija atsirado ne vėliau kaip per karta № 26 500 (iš trijų tirtų bakterijų nuo mutacijos karta vienu ir išvykęs į dvi). Pradedant kartos 29 000, populiacija pradėjo dominuoti ir, matyt, netrukus po to pasitvirtino, ty pasiekė 100% dažnumą.

"Naudinga", mutacijos padidinti Mutagenezei tempą gali būti tik tai, kad jis padidino naujų naudingų mutacijų atsiradimo tikimybę, kai dauguma iš galimybių "naudinga mutacija" buvo išnaudotos.Tačiau kaip šalutinis poveikis, mutagenezės intensyvinimas neišvengiamai turėjo padidinti kenksmingų ir neutralių mutacijų skaičių.

Remiantis tuo, kas išdėstyta pirmiau, galima tikėtis, kad dabar dauguma ištaisomų mutacijų bus neutralios, o ne naudingos. Kaip mes prisimename, neutralių mutacijų fiksavimas populiacijoje yra lygus mutagenezės greičiui, nepriklausomai nuo gyventojų dydžio. Muzikos greitis protėvių padermėje E. coli buvo mažas, todėl labai mažai buvo užregistruotos pirmosiose 20 000 neutralių mutacijų kartų. Genų mutacija mutT mutacijos greitis padidėjo apie 70 kartų (nuo 1,6 × 10-10 iki 1,1 × 10-8 per porą nukleotidų vienai kartai). Autorių naudojami įvairūs statistiniai tyrimai patvirtino prielaidą, kad dauguma 609 "vėlyvų" mutacijų buvo neutralios.

Dėl kokių nors priežasčių straipsnyje nenurodyta, kaip antroje eksperimento pusėje pasikeitė bakterijų tinkamumas.

Biologai aktyviai naudoja genomo palyginimo rezultatus, kad rekonstruotų organizmų evoliucijos kelius ir greičius. Iki šiol tai turėjo būti daugiausia turint matematinius modelius, paremtus skirtingomis daugiau ar mažiau tikėtinomis prielaidomis. Dabar pagaliau yra galimybė eksperimentine patvirtinti šiuos modelius.Pirmieji rezultatai buvo daugiausia netikėti. Pavyzdžiui, mažai žmonių tikėjosi, kad nuolatinis naudingų mutacijų kaupimosi greitis gali sulėtinti fitneso padidėjimą; arba kad tokie staigūs šuoliai yra įmanoma neutralių ir naudingų mutacijų fiksavimo greičio santykiu. Pagrindinė išvada yra ta, kad kiekybiniai santykiai tarp skirtingų evoliucinio proceso aspektų (neutralumas ir prisitaikymas, dreifo ir atrankos įtaka, pokyčių greitis genotipo ir fenotipo lygiu) gali būti žymiai sudėtingesni, dviprasmiški ir kintamieji, nei anksčiau minėta.

Šaltinis: Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski, Jihyun F. Kim. Ilgalaikis eksperimentas su Escherichia coli Gamta. 2009. V. 461. P. 1243-1247.

Apie eksperimentinį evoliucijos tyrimą taip pat žiūrėkite:
1) Kompleksinio kolektyvinio elgesio galimybė gali atsirasti dėl vienos mutacijos, "Elements", 2006-05-25.
2) Mikrobiologai sako: daugelio elementų yra kieta sukčiavimas, "Elements", 2007 04 06.
3) Pradiniai erozijos etapai yra atkuriami eksperimente su mielėmis, "Elements", 2007.06.06.
4) Vienam genui pakanka specialistams, "Elements", 2007 m. Lapkričio 28 d.
5) Amoebos mutantai neleidžia sau būti apgauti, "Elements", 2009/06/10.
6) Eksperimentai su kirminiais parodė, kad patinai yra naudinga, "Elements", 2009 10 10.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: