Naujų fermentų, atsiradusių evoliuciniame eksperimente, atsiradimo procesas • Aleksandras Markovas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Evoliucija, genetika

Naujų fermentų atsiradimo procesas atsiranda evoliuciniame eksperimente

Salmonella enterica"border = 0>

Pav. 1. Bakterija Salmonella enterica. Vaizdas iš microbewiki.kenyon.edu

Bakterijų eksperimentai Salmonella enterica parodė, kad nauji fermentai gali atsirasti pagal "naujovių – stiprinimo – sklaida" schemą. Pirma, fermentas dėl mutacijos atsiranda papildomas katalizinis aktyvumas ("naujovė"). Jei nauja funkcija pasirodys naudinga, pasirinkimas palaikys pakeisto geno amplifikaciją (papildomų kopijų išvaizdą). Ateityje gali pasireikšti darbo pasidalijimas tarp kopijų ("skirtumas"): kai kurios kopijos optimizuojamos pasirinkus senąją funkciją, kitos – naujos. Griežtai laikantis šios schemos fermentas, kuris katalizuoja vieną iš triptofano sintezės etapų, buvo gautas iš fermento, kuris dalyvauja aminoidinių rūgščių histidino sintezėje.

Teoriniai scenarijai

Paprastai nauji genai atsirado iš senųjų, kaip amplifikacijos rezultatas (genų kopijų skaičiaus padidėjimas, žinių dubliavimas), paskui funkcijų pasidalijimas tarp kopijų. Vienoje kopijoje po amplifikacijos gali pasirodyti nauja funkcija. Alternatyvi alternatyva yra papildomos funkcijos atsiradimas geno prieš jį sustiprinant (daugiau informacijos žrpastaboje Daugiafunkciniai genai – evoliucinių naujovių pagrindas, "Elements", 2008 06 30).

Abiem atvejais privalomas žingsnis yra nustatyti vieną ar kelias geno kopijas po amplifikacijos naudingų mutacijų. Problema ta, kad šios naudingos mutacijos turi būti greitai ištaisytos – prieš tai, kai "nereikalingos" geno kopijos sugadintos kenksmingomis mutacijomis arba visiškai prarandamos. Jei atranka neapsaugo šių kopijų pažeidimų, jie gali būti beviltiškai pažeisti prieš prasidedant bet kokiai naudingai mutacijai (kadangi kenksmingos mutacijos būna daug dažniau nei naudingos mutacijos). Kaip rezultatas, viskas grįš į normalų lygį, o genomoje vėl bus tik viena darbo kopija geno ir tam tikras kiekis "šiukšlių" – pseudogenezės, sugadintos dėl mutacijų, į kurias atsiras kitos kopijos.

Biologai iš Švedijos ir Jungtinių Amerikos Valstijų pasiūlė ir eksperimentu išbandė naujų genų atsiradimo scenarijų, kuriuos jie vadino IAD (inovacijų stiprinimo-skirtumų, inovacijų stiprinimo-skirtumų). Šis scenarijus yra panašus į gerai žinomą "išvengti prisitaikančio konflikto" mechanizmą, kuris aprašytas minėtame straipsnyje, tačiau jis turi reikšmingą skirtumą.IAD scenarijuje pati amplifikacija turi prisitaikančią reikšmę, tai yra, naujai sukurtos geno kopijos nuo pat pradžių nėra "nereikalingos": jie yra naudingi, todėl atranka neleidžia jiems patirti žalos. Tai suteikia jiems laiko laukti naudingų mutacijų atsiradimo.

Pav. 2 Naujo geno formavimas pagal "naujovių-sustiprinimo-divergencijos" schemą. Paaiškinimai tekste. Vaizdas iš straipsnio diskusijoje Mokslas

IAD schema parodyta fig. 2. Genoje su pagrindine funkcija A atsiranda papildoma funkcija B (arba iš pradžių egzistuoja kaip "šalutinis poveikis"), kuri iš pradžių yra vykdoma mažai efektyviai (todėl ji vadinama b). Jei ši šoninė funkcija staiga pasirodo naudinga (pavyzdžiui, dėl aplinkos sąlygų pasikeitimo), atranka pradės remti mutacijas, kurios pagerina šią funkciją. Paprastiausias būdas pasiekti šį tikslą, nepažeidžiant funkcijos A, yra sustiprinti bifunkcinį genu. Kuo daugiau geno kopijų bus genomoje, tuo daugiau molekulių bus atitinkamas baltymas, o efektyviau bus vykdoma funkcija B. Taigi atranka palaikys genų kopijavimą ir apsaugo papildomas kopijas, kurios atsiranda dėl mutacijos žalos.Autoriai pažymi, kad genų amplifikacija yra labai dažna kategorija mutacijų. Pavyzdžiui, bakterijose Salmonella entericasu kuria jie dirbo, bet kurio geno dubliavimo tikimybė yra maždaug 10-5 ląstelių dalijimasis.

Po to daugybę genų kopijų galės specializuotis. Jei vienoje iš kopijų yra mutacijų, kurios sustiprina funkciją B, tai neigiamai veikia A, tada parinkimas juos palaikys, nes funkcija B yra "trūkstama", o kitos kopijos sėkmingai susiduria su funkcija A. Viename iš jų funkcija A gali būti toliau optimizuota – galbūt dėl ​​visiško funkcijos praradimo B.

Po to, kai pasirodys "specialisto" genai, optimizuoti veiksmingam funkcijų A ir B veikimui, likusios kopijos taps tikrai nereikalingos. Tada jie gali greitai pseudogenizuoti arba būti prarasti.

Eksperimentinis patvirtinimas

Norėdami išbandyti savo idėjas, autoriai sukūrė evoliucinį salmoneliozės eksperimentą. Pradedant, jie paėmė bakterijas, iš kurių genomo buvo pašalintas genas trpF. Šis genas užkoduotas fermentas katalizuoja vieną iš aminorūgščių triptofano sintezės etapų. Panašus žingsnis sintezuojant kitą aminorūgštį, histidiną katalizuoja hisA fermentas. Augančios salmonelės trūksta geno trpF Tirptofano neturinčioje terpėje mokslininkai atrado bakterijas, kurios turėjo spontaninę mutaciją (tiksliau, dviejų mutacijų kompleksą – trijų kodonų padvigubėjimą ir vienos amino rūgšties pakeitimą) genuose joA. Kaip rezultatas, hisA fermentas tapo bifunkciniu. Jis įgijo gebėjimą atlikti trpF funkciją, nors ir mažai efektyviai. Poveikis jo pradinei funkcijai, tai yra, histidino sintezė tapo mažiau efektyvi. Bet vis dėlto, mutantinės bakterijos įgijo gebėjimą lėtai augti aplinkoje, kurioje nėra nei triptofano, nei histidino. Taigi, susidariusi mutacija gali būti laikoma pirmuoju etapu – "inovacija" IAD scenarijuje. Dabar reikėjo patikrinti, ar kiti du etapai yra įmanomi.

Mutantinės bakterijos buvo suskirstytos į kelias linijas, kurios buvo auginamos atskirai viena nuo kitos aplinkoje be triptofano ir histidino. Norėdami stebėti genų dubliavimą, šalia joA mokslininkai įdėjo geltoną fluorescuojantį baltymo geną yfp, kad šio genomo fragmento kopijų skaičių būtų galima spręsti pagal fluorescencijos stiprumą. Kadangi mutantas hisA fermentas blogai veikė savo funkcijas, iš pradžių bakterijos augo lėtai, jų skaičius perpus padaugėjo per 5.1 valandas.Palyginimui, terpėje su tryptofanu šiose bakterijose iš vieno padalijimo į kitą užtruko 2,8 valandos, jo histidinu – 2,6, abiem amino rūgštims – 1,5.

Tačiau po kelių šimtų kartų bakterijų dauginimosi greitis gerokai padidėjo. Tai įvyko, kaip tikėtasi, dėl bifunkcinio geno amplifikacijos. Kai kuriose eilutėse rodoma iki 20 kopijų. joA. Dėl to padidėjo fermento, kurį gamina ląstelės, kiekis, o abi amino rūgštys pradėjo sintetinti greičiau. Taigi buvo patvirtintas ir antrasis siūlomo scenarijaus etapas – stiprinimas.

Eksperimentas truko 3000 kartų, o per šį laiką augančios spartėjančios mutacijos sustiprėjo visose linijose. Tuo pačiu metu daugumoje eilučių pasirodė fermentai – "specialistai", efektyviai atliekantys vieną iš dviejų funkcijų. Kai kuriais atvejais tai lydėjo prarastų nereikalingų kopijų (dvi kopijos tapo "specialistais", o likusi dalis buvo prarasta). Šie rezultatai atitinka IAD modelio prognozes. Tačiau taip pat buvo atrasta kažkas netikėtai: kai kuriose eilutėse, veikiant mutacijoms ir selekcijai, buvo sukurtas "generalistas" fermentas, kuris gerai veikia abiem funkcijoms vienu metu.

Pav. 3 Keturi eksperimento metu užfiksuoti evoliucinių trajektorijų pavyzdžiai. Romba atitinka skirtingas hisA fermento versijas. Ant diagramų ant horizontalios ašies histidino sintezės efektyvumas buvo atidėtas (jis buvo apskaičiuotas kaip bakterijų augimo greitis aplinkoje su triptofanu be histidino), vertikaliai – Triptofano sintezės efektyvumas (matuojamas kaip augimo greitis aplinkoje su histidinu be triptofano). Iš pradžių visos eksperimentinės linijos turėjo vieną geno kopiją su dup13-15 ir D10G mutacijomis. Šis fermentas atlieka abi funkcijas, tačiau mažai efektyviai. Tais atvejais, kai A po amplifikacijos optimizuota viena iš originalaus geno kopijų histidino sintezei, prarandant gebėjimą sintetinti triptofaną (D10G), kitas buvo optimizuotas triptofano sintezei ir pamiršo sintezuoti histidiną (dup13-15, D10G, G81D). Tais atvejais B ir C Pradinis genas pirmą kartą įsigijo G102A mutaciją, todėl jis tapo efektyvesnis "generalistas", bet tada jis buvo sustiprintas, o jo skirtingos kopijos specializuojasi atlikti dvi funkcijas atskirai. Tais atvejais, kai D Labai veiksmingas fermentų generatorius buvo suformuotas su mutacijomis dup13-15, D10G, G102A, G11D, G44E. Mėlynas rombas Kai kurie evoliucijos etapai buvo parodyti genetiniai variantai, kurie buvo unikalūs jų populiacijoje, geltona – tie, su kuriais visada yra kitų genų variantai joA. Vaizdas iš straipsnio diskusijoje Mokslas

Taigi, eksperimentas aiškiai parodė, kad "naujovių diegimo-sklaidos" scenarijus yra gana realus. Gali būti, kad taip atsirado daug naujų evoliucijos genų. Bet galbūt ryškiausias šiame straipsnyje jos ramus tonas ir šiek tiek nuobodus stilius, tarsi pabrėžiant, kad atgaminti in vitro pagrindinės evoliucinės renginiai tapo įprastas veiklą biologų.

Šaltinis: Joakim Näsvall, Lei Sun, John R. Roth, Dan I. Andersson. Naujų genų realiuoju laiku evoliucija pagal inovacijas, stiprinimą ir divergenciją // Mokslas. 2012. V. 338. P. 384-387.

Taip pat žiūrėkite:
Daugiafunkciniai genai – evoliucinių naujovių pagrindas, "Elements", 2008 06 30.

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: :???: :?: :!: