Numatomas fitneso augimas pasiekiamas nenuspėjamais būdais • Aleksandras Markovas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Evoliucija, genetika

Prognozuojamas fitneso padidėjimas pasiekiamas neprognozuojamais būdais.

Pav. 1. Eksperimento schema. Iš vienos protėvios haploidinės ląstelės (DivAnc) gavo 432 eilutes, kurios buvo sukurtos tomis pačiomis sąlygomis, bet kurių gyventojų skaičius buvo didesnis nei 240 kartų (įvairinimo etapas, įvairinimas). Iš šių eilučių buvo atrinkti 64 steigėjai. Iš kiekvieno įkūrėjo gavo 10 eksperimentinių linijų, kurių kiekviena 500 kartų pritaikyta toms pačioms sąlygoms su tuo pačiu (dideliu) gyventojų skaičiumi (pritaikymo etapas, adaptavimas). Žalios spalvos rodomas fitnesas (kuo tamsesnis, tuo didesnis). Paveikslas iš papildomų medžiagų iki aptariamo straipsnioMokslas

Amerikos biologai atliko evoliucinį eksperimentą, kuriame 640 mielių linijų, kilusių iš 64 genetiškai skirtingų steigimo ląstelių, pritaikytos tokioms pačioms sąlygoms 500 kartų. Kuo greitesnis buvo fitneso augimas eksperimentinėse linijose, tuo mažesnis buvo pradinis įkūrėjo tinkamumas. Todėl eksperimento pabaigoje treniruočių skirtumai išnyko. Naudingų mutacijų, kurios buvo nustatytos skirtingose ​​eilutėse, rinkiniai nepriklausė nuo pradinio genotipo ir pasirodė skirtingi nukleotidų lygyje, nors daugelis jų buvo susiję su tais pačiais genais.Tyrime nebuvo atskleista specifinė mutacijų sąveika, tačiau parodė, kad to paties mutacijos naudingumas mažėja, didinant bendrą genotipo tinkamumą.

Vienas iš svarbiausių evoliucinės biologijos klausimų yra klausimas apie atsitiktinumą ir reguliarumą adaptyviame evoliucijoje. Mutacijos dažniausiai yra atsitiktinės, bet kurios iš jų bus nustatytos ir kurios bus pašalintos priklausomai nuo jų poveikio tinkamumui (veisimosi efektyvumas). Pavyzdžiui, jei yra tik viena viena mutacija, galinti pagerinti tam tikro genotipo prisitaikomumą prie tam tikrų aplinkos sąlygų, adaptacijos procesas bus gana nuspėjamas, nepaisant atsitiktinio mutagenezės pobūdžio. Visos mutacijos bus pašalintos, kol bus atrinkta tik viena ir viena.

Jei yra daug potencialiai naudingų mutacijų, iškyla klausimas apie epistazę (žr. Epistazę), tai yra, kaip šios mutacijos sąveikauja tarpusavyje. Adaptyvaus evoliucijos kursas bus nustatomas taip, kaip anksčiau nustatytos mutacijos daro įtaką dar neįrodytų naudingumui.

Jei epistazė nėra (tai yra, mutacijų poveikis nepriklauso vienas nuo kito),tada naudingos mutacijos bus nustatytos atsitiktine tvarka, o prisitaikymo kursas bus daugiausia atsitiktinis. Stiprus Epistaza riboja leidžiamų evoliucinių trajektorijų ir priėmimo prisitaikanti raidos labiau nuspėjama ir labiau priklauso nuo pradinių sąlygų, tai yra apie tai, kas vyksta pirmasis mutacijų skaičius (daugiau informacijos žr. Naujienos kelio evoliucijos yra iš anksto molekuliniu lygiu "elementai", 12.04.2006 ir Baltosios visatos plitimas išlieka, "Elements", 2010-05-24).

Elementai jau kalbėjome apie evoliucinių eksperimentų, rodo svarbų Epistaza į prisitaikanti raidos bakterijų (lygiagrečiai evoliucija studijavo eksperimentus bakterijų, "elementai", 01.02.2012, Per ilgą evoliucijos eksperimentas atskleidė "evoliucinių perspektyvas", "elementų", 25.03 pasirinkimą. 2011). Amerikos biologai, kurie savo tyrimo rezultatus paskelbė naujausiame žurnalo numeryje Mokslas, atliko panašų eksperimentą su mielėmis ir gavo rezultatus, kurie labai skiriasi nuo anksčiau gautų bakterijų.

Eksperimento metu buvo naudojamos tos pačios lyties haploidinės mielės, negalinčios dalyvauti seksualiniame procese (žr. Mielių poravimosi būdą).Tiesa, kai kurioms eksperimentinėms linijoms pavyko apeiti prieš jas esančias kliūtis, pakeitė seksą, pradėjo poruotis ir perėjo į diploidinę būseną (žr. Toliau). Mielių tinkamumas buvo išmatuotas konkurenciniais bandymais, verčiant juos dauginti distiliuojant mišrią kultūrą su ženklu pažymėtu kontrolės štamu.

Eksperimentą sudarė du etapai (1 pav.). Pirmame etape ("diversifikavimas") 432 linijos, gautos iš vieno protėvių haploido ląstelių, gyveno standartinėje turtingoje aplinkoje, kurioje 240 kartų (10 kartų per dieną) gyventojų skaičius yra didelis arba mažas. Autoriai norėjo gauti linijų rinkinį, kuris labai skiriasi nuo fitneso. Jie remiasi prielaida, kad mažose populiacijose dėl genetinio dreifo bus dažniau užregistruotos silpnai pavojingos mutacijos, o didelėse populiacijose, kuriose dreifas yra silpnesnis ir atranka yra veiksmingesnė, kenksmingos mutacijos kaupiasi mažiau ir yra naudingesnės. Jų lūkesčiai apskritai buvo patvirtinti, o iki diversifikacijos etapo pabaigos jie gavo eilučių linijas, kurios labai skiriasi nuo fitneso. Iš šių eilučių jie parinko 64 "įkūrėjų" langelius, o pavyzdys buvo sukurtas taip, kad apimtų visą fitneso kintamumo diapazoną.Steigėjų genomai nuo senovės ląstelių genomo skiriasi vidutiniškai 4,2 mutacijomis, kurios buvo įtvirtintos diversifikacijos metu. Visi steigėjai turėjo skirtingus mutacijų rinkinius. Tai leido autoriams įvertinti "genetinio konteksto" įtaką tolesniam evoliucijos eigai.

Antrasis eksperimento etapas ("adaptacija") buvo tas, kad iš kiekvieno įkūrėjo buvo pagamintos 10 eilučių, po to 640 iš gautų eilučių nepriklausomai vienas nuo kito ir toliau pritaikė tas pačias sąlygas 500 kartų. Visų populiacijų skaičius buvo toks pat (aukštas). Periodiškai kiekvienos populiacijos dalis buvo užšaldyta -80 ° C, tokiu būdu sukuriant eksperimento "gyvą fosiliją".

Visa tai buvo išrastas, siekiant įvertinti, viena vertus, evoliucinio proceso stochastinį, iš kitos – genetinio fono įtaką prisitaikymo eigai. Stochastyvumas buvo įvertintas lyginant linijas, gautas iš to paties steigėjo. Siekiant įvertinti genetinio konteksto įtaką, buvo lyginamos skirtingų steigėjų linijos.

Eksperimentinių mielių, pritaikytų 500 kartų, adaptyvumas vidutiniškai išaugo 6,6%.Tuo pat metu gerokai išlyginti skirtumų tinkamumas tarp linijų (2 pav.).

Pav. 2 Eksperimentinių populiacijų fitnesas prisitaikymo fazės pradžioje (mėlynos juostos), jo viduryje (žali barai) ir pabaigoje (oranžinės spalvos barai). Išilgai horizontalios ašies – tinkamumas, vertikalus – gyventojų, turinčių tokią tinkamumą, skaičius. Galima pastebėti, kad iki eksperimento pabaigos pasiskirstymas tapo siauresnis, ty fitneso skirtumas sumažėjo. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Skirtumo sušvelninimas yra susijęs su tuo, kad linijos, gautos iš aukšto pradinio pasiruošimo steigėjų, eksperimento metu buvo labiau lankstus nei linijos su pradiniu mažu fitnesu. Lyderiai sulėtėjo, atsilikdavo, o paskui sumažėjo. Taigi, nepaisant nevienodų pradinių pozicijų, eksperimentinės populiacijos, kuriose gyvena daugiau kaip 500 kartų, pasiekė panašius rezultatus. Galima sakyti, kad adaptacinės evoliucijos eiga iš dalies buvo nuspėjama – jei atsižvelgiame tik į fitnesą ir nenagrinėjame jos genetinio pagrindo.

Statistinė analizė leido mums įvertinti įvairių veiksnių įtaką fitneso augimo greičiui (3 pav.). Pasirodo, kad 29% fitneso augimo greičio linijų skirtumus lemia evoliucinis stochastatumas (ty, skirtingų skirtingo to paties steigėjo palikuonių adaptacijos būdų įvairovė), 21% – pagal matavimo klaidas – 50% pagal steigėjo savybes. Be to, iš šių savybių svarbiausia yra fitnesas: jis nustato 46% minėtų 50%, o tik 4% priklauso nuo konkrečių steigėjo genotipo ypatybių.

Pav. 3 Įvairių veiksnių indėlis į svorio padidėjimo skirtumus po 250 adaptacijos kartų (viršuje) ir po 500 kartų (žemyn žemyn) Įkūrėjas-įkūrėjas, Evoliucinis stochastatumas – evoliucinis stochastatumas, matavimo paklaida – matavimo paklaidos, įkūrėjo genotipas – įkūrėjo genotipas, įkūrėjo treniruoklis – įkūrėjo fitnesas. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Kitaip tariant, fitneso augimas eksperimentinėse mielių linijose pirmiausia buvo nustatytas kaip tinkamas steigėjui – nepriklausomai nuo to, kokį mutacijų rinkinį jis jam suteikė.Gerai pritaikytų kūrėjų palikuonys prisitaikė lėtai, netinkamai pritaikytų palikuonys greitai. Konkrečiam "genetiniam fonui" buvo tik labai mažas (nors ir statistiškai reikšmingas) poveikis prisitaikymo greičiui.

Šis rezultatas iš dalies sutampa su kitų evoliucinių eksperimentų išvadomis, kuriose taip pat parodė lėtėjantį fitneso padidėjimą. Taigi, ilgalaikio evoliucinio Ričardo Lenskio eksperimento metu buvo pastebėta, kad kiekviena įtvirtinta naudinga mutacija daro vėlesnius genetinius patobulinimus vidutiniškai mažiau naudingus. Šis reiškinys vadinamas "mažėjančios grąžos epistaze" (žr. Naujus ilgalaikio evoliucinio eksperimento rezultatus: eksperimentinių bakterijų tinkamumas auga, elementai, 2013 3 12).

Bet sugalvoti pavadinimą nereiškia paaiškinti mechanizmą. Fitneso sulėtėjimas gali būti dėl įvairių priežasčių. Pavyzdžiui, yra hipotezė "modulinė epistazė". Tai daroma prielaida, kad daugelis naudingų mutacijų yra nereikalingos ta prasme, kad jei viena iš jų jau įvyko, kiti negalės ką nors pridėti prie jo teigiamo poveikio.Tarkime, kad kūnas yra naudingas tokiomis sąlygomis, kad išjungtumėte funkcinį modulį. Tai galima pasiekti išjungus vieną ar kitą geną. Šiam poveikiui būdingos mutacijos gali būti labai daug. Pirmoji mutacija, kuri išjungė geną, bus naudinga, ir atranka ją palaikys. Tačiau jei genas jau yra išjungtas, naujos mutacijos, kurios ją sugadins, nebebus naudingos: jie taps neutralūs. Tas pats vyks, jei naudinga ne išjungti modulį, o stiprinti savo darbą. Galų gale tai taip pat gali būti daroma daugeliu atžvilgių (naudojant daugybę skirtingų mutacijų). Fitneso augimo sulėtėjimas gali būti susijęs su tuo, kad kuo daugiau modulių jau yra optimizuotos, tuo mažiau galimybių išryškėti.

Kitas modelis ("specifinė epistazė") rodo, kad daugumos mutacijų naudingumas labai priklauso nuo genetinio konteksto, todėl kiekviena nauja mutacija gali žymiai pakeisti kitų mutacijų nustatymo galimybes. Šiuo atveju didžiausią fitneso kelias tampa labirinto su daugybe šakių ir negyvų galų. Šio labirinto geografija gali būti tokia, kad kuo toliau keliate, tuo mažiau tikimės, kad turėsite šiek tiek daugiau judėti į priekį.

Galiausiai "globalinės epistazės" variantas yra įmanomas, kai mutacijų naudingumas mažai priklauso nuo konkretaus genetinio konteksto, tačiau labai priklauso nuo bendro organizmo tinkamumo. Tuo pačiu metu ta pati mutacija netaptų naudinga gerai pritaikytam organizmui, o blogai pritaikyta – labai naudinga.

Jei vyrauja "modulinė" arba "specifinė" epistazė, evoliucijos eiga turėtų priklausyti nuo pradinio genotipo. Šiuo atveju eksperimentinės mielių linijos, gautos iš to paties steigėjo, turės panašius mutacijų rinkinius. Jei vyrauja pasaulinė epistazė, to paties steigėjo palikuonių mutacijų rinkiniai gali skirtis tiek, kiek skirtingų steigėjų palikuonys.

Norėdami išbandyti šias prielaidas, autoriai sekvenavo ir palygino 104 eksperimentinių klonų, gautų iš 13 steigėjų, genomus. Tiesą sakant, 150 iš 15 steigėjų palikuonių nebuvo atrinkti, tačiau paaiškėjo, kad daugelis klonų turėjo "neleistinų" evoliucinių pokyčių, tokių kaip mutacijų alelio fiksavimas (žr. Nauji ilgalaikio evoliucinio eksperimento rezultatai: eksperimentinių bakterijų pakankamumas auga, elementai2013-12-23) arba sugebėjimas atkurti seksualinį procesą ir perėjimas į diploidinę valstybę. Tokie klonai buvo atmesti.

Likusieji 104 klonai parodė 1149 mutacijas, kurios buvo sureguliuotos adaptacijos etape. Į 13 diversifikacijos etapo steigėjų buvo užfiksuoti 55 mutacijos. Taigi kiekvienoje eilutėje maždaug viena mutacija buvo užregistruota kas 50 kartų, tiek diversifikacijos etape, tiek adaptacijos etape.

Autoriai atmetė sinonimų pakeitimus ir mutacijas tarpgeninių spragų, nes jie greičiausiai neturi funkcinės reikšmės. Egzistuoja 818 mutacijų, kurios yra svarbios organizmui. Ankstesni eksperimentai dėl lygiagrečios bakterijų ir virusų evoliucijos parodė, kad pritaikymas prie tų pačių sąlygų dažnai veda į nepriklausomą tų pačių mutacijų fiksavimą įvairiose eksperimentinėse linijose. Eksperimentas su mielėmis davė skirtingus rezultatus: visos nustatytos mutacijos, išskyrus keturias, pasirodė esančios unikalios, ty būdingos tik vienam 104 klonui.

Nors pačios mutacijos nukleotidų lygyje buvo skirtingos, genų rinkiniuose, kuriuose mutacijos buvo fiksuojamos skirtinguose klonuose (kaip ir eksperimentuose dėl lygiagrečios bakterijų evoliucijos), buvo panašus.Pavyzdžiui, buvo rasta 24 genai, kurių mutacijos nepriklausomai buvo fiksuojamos trijuose ar daugiau klonų. Atsitiktinio pasiskirstymo atveju šis skaičius būtų mažesnis. Akivaizdu, kad šių 24 genų mutacijos dažnai pasirodė naudingos eksperimento sąlygomis.

Galima manyti, kad prisitaikymo procese mažiau adaptuotų steigėjų (kurių fitnesas stiprėjo) palikuonys buvo fiksuotos labiau funkciniu požiūriu svarbiu (ir galimai naudingų) mutacijų, nei didelių fitneso steigėjų palikuonyse. Tačiau tai nebuvo patvirtinta. Tiems ir kitiems, galbūt naudingų mutacijų, kurios įstrigo vidutiniškai, skaičius pasirodė esantis tas pats. Tai atitinka Lenskio eksperimento rezultatus, kai mutacijų skaičius išaugo pastoviu greičiu, nors fitnesas padidėjo lėčiau (žr. Evoliucinio eksperimento rezultatus 40 000 kartų, Elements, 2009.11.21).

Autoriai gavo svarbiausią rezultatą lygindami mutavusių genų rinkinius klonuose, gautuose iš tos pačios ir skirtingų steigėjų. Pasirodo, kad kilmė iš vieno steigėjo (tai yra tas pats genetinis fonas) visais atvejais neleidžia paisyti tų pačių genų mutacijų.Muzinių genų rinkinio panašumo laipsnis pasirodė esant vienodas klonams su tuo pačiu ir skirtingu genetiniu fonu. Šis rezultatas yra tvirtas argumentas dėl "globalios epistazės" hipotezės ir "modulinės epistazės" bei "specifinės epistazės" modelių.

Papildomi genetiniai inžineriniai eksperimentai taip pat patvirtino pasaulinę epistazę. Autoriai pasirinko tris genus, kurių nepriklausomos nuo šių klonų nepriklausomos mutacijos buvo nepriklausomai prijungtos prie kelių klonų (4 pav.). Tai reiškia, kad jų išjungimas greičiausiai padidins tinkamumą šiose sąlygose. Mokslininkai dirbtinai uždraudė šiuos genus 13 steigėjų, vieno protėvio, ir keliuose papildomuose klonuose su skirtingais fitnesais. Paaiškėjo, kad ši procedūra iš tiesų gerina fizinę būklę, o teigiamo efekto stiprumas priklauso nuo pradinio klono tinkamumo. Mielės su iš pradžių didelio fitneso pranašumais tik nedidelis pelnas išjungti bet kurį iš trijų genų, o su mažai fitneso mielių tai duoda pastebimai daugiau naudos.

Pav. 4 Tos pačios mutacijos teigiamas poveikis mažėja, didėjant bendram genotipo tinkamumui, kuriame įvyko ši mutacija.Parodytas vieno iš trijų genų ištrynimo poveikis (gat2, whi2, sfl1) apie įvairių mielių klonų tinkamumą, priklausomai nuo pradinio šių klonų tinkamumo. Vertikali ašis – fitneso pokytis (%) po genų pašalinimo, ant horizontalios ašies – pradinis klono tinkamumas. Žmogaus pašalinimas ho (pilki ženklai), neturintis įtakos pratyboms, buvo naudojamas kaip kontrolė. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Taigi tyrimas parodė, kad pasaulinė epistazė yra svarbi prisitaikanti mielių raida. Kuo aukštesnis fitnesas, tuo mažiau naudos duoda naujų naudingų mutacijų, ir šis poveikis praktiškai nepriklauso nuo specifinio genetinio konteksto. Muzikų naudingumas priklauso tik nuo bendros būklės, bet ne nuo genetinių charakteristikų, kurioms ši būklė yra sąlygota. Dar nėra žinomos priežastys ir mechanizmai, kurie teikia pasaulinę mielių epistazę: jų identifikavimui reikia daugiau tyrimų.

Kol kas nėra atsakymo į klausimą, kodėl konkreti epistazė – mutantinė mutacijų įtaka, kuri aiškiai pasirodė eksperimentuose su bakterijomis, nebuvo rasta mielėse.Galbūt tai kažkaip susiję su esminiais prokaritų ir eukariotų genomo architektūros skirtumais (šie skirtumai išsamiai aprašyti Eugenio Kunino knygoje "Teismo logika"). Didžiulė populiacija būdinga prokariotams, todėl padidėja valymo parinkimo efektyvumas. Galbūt dėl ​​to, kad prokariotiniai genomai yra optimizuoti ir kompaktiški, jose yra mažai "genetinių nuolaužų", tačiau yra keletas laipsnių laisvės evoliucinėms pertvarkoms; kai kurie funkciniai paveldimos informacijos blokai yra pernelyg subalansuoti vieni kitiems, tarp jų dėl susijusio paveldėjimo, kurį sukelia tiesa seksualinio proceso nebuvimas ir santykinis reiškinys horizontaliai keičiantis genu tarp organizmų. Eukaroidai, net viencelčių, paprastai yra daug didesni nei prokariotai, todėl jų populiacija yra mažesnė, o valymo pasirinkimas nėra toks efektyvus. Todėl jų genomų struktūra yra labiau "laisvi", jose yra daugybė nekoduotų sekcijų ir įvairių egoistinių elementų. Be to, lytines reprodukcijos metu aleliai nuolat kinta, taigi jie ne tiek "prilipę" vienas kito. Viena iš šių bendrų eukariotinių genomų savybių apraiškų gali būti mutacijų naudingumo priklausomybės nuo specifinio genetinio konteksto silpnėjimas.Tačiau vis dar turime per mažai duomenų apie genetinį adaptacinės eukariotų evoliucijos pagrindą, kad būtų padarytos pasaulinės išvados.

Šaltinis: Sergejus Kryazhimskis, Danielis P. Rice, Elizabeth R. Jerison, Michael M. Desai. Pasaulinė epistazė leidžia pritaikyti, nepaisant nuoseklumo lygio stochastatumo // Mokslas. 2014. V. 344. P. 1519-1522.

Taip pat žiūrėkite "mažėjančios grąžos epistą" ir fitneso augimo sulėtėjimą:
1) evoliucinio eksperimento, kurio ilgis siekia 40 000 kartų, rezultatai, "Elements", 2009.11.21.
2) Nauji ilgalaikio evoliucinio eksperimento rezultatai: eksperimentinių bakterijų prisitaikomumas toliau didėja, "Elements", 2013 3 12.

Dėl "specifinės epistazės" vaidmens (konkretaus genomo konteksto įtaka mutacijų naudingumui):
1) Eksperimentas su bakterijomis, "Elements", 2012.02.12 buvo tiriamas lygiagretusis evoliucija.
2) evoliucijos keliai yra iš anksto nustatomi molekuliniame lygmenyje, "Elements", 2006 04 12.
3) Baltosios visatos plitimas išlieka, "Elements", 2010-05-24.
4) Ilgalaikio evoliucinio eksperimento metu atrado "evoliucinės perspektyvos" ir "Elementų" pasirinkimą 2011-03-25.

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