Lytinis dauginimasis padeda atskirti naudingų mutacijų nuo kenksmingų • Aleksandro Markovo • Mokslo naujienos pasirinkimą į "Elements" • Evolution, Genetika

Seksualinė reprodukcija padeda atrinkti atskirti naudingas mutacijas nuo kenksmingų

Mielių poravimas: dvi haploidinės ląstelės, priklausančios skirtingoms lytinėms atostogoms (a ir α), susilieja į vieną diploidį. Nuotrauka iš svetainės schaechter.asmblog.org

Idėja, kad seksualinė reprodukcija pagreitina adaptaciją, pakartotinai patvirtinta eksperimentu. Be to, jis turi tvirtą teorinį pagrindimą. Tačiau iki šiol evoliucinių pokyčių genetoje kursas be asjėgių ir lytinių organų nebuvo tiesiogiai lyginamas. Amerikos biologai sugalvojo techniką ir sukūrė genetiškai modifikuotus mielių štamus, dėl kurių ši techniškai sudėtinga užduotis buvo išspręsta. Pastebėta, kad tuo pačiu mutacijos greičiu genitalijų populiacijose daugiau kaip 1000 kartų nustatyta 5 kartus mažiau mutacijų, nei vienodo dydžio netolygioje populiacijoje. Tarp be mutacijų besiremiančių mutacijų jie yra kenksmingi, o seksualinėse populiacijose nustatomos tik naudingos mutacijos. Šie rezultatai patvirtina klasikinę požiūrį, kad seksualinė reprodukcija pagreitina prisitaikymą, todėl parinkimas padeda atskirti naudingas mutacijas nuo kenksmingų. Be bevagiškos populiacijos, galima pasirinkti tik visas genomas, todėl kiekviena nauja naudinga mutacija yra neatskiriamai susijusi su jos "genetine fone" ir ją galima paskirstyti tik su ja.

Seksualinė reprodukcija yra labai paplitusi gamta, nepaisant to, kad, palyginti su bepročiais, ji reikalauja didelių papildomų išlaidų (žr. "Kirminų eksperimentai parodė, kad patinai yra naudingi dalykai", "Elements", 2009 10 23). Tai reiškia, kad seksualinė reprodukcija suteikia tam tikrą svarbią naudą, tačiau kurios iš jų? Atsakymas į šį klausimą nėra toks akivaizdus, ​​kaip gali atrodyti iš pirmo žvilgsnio (žr. A. S. Kondrašovo, 1993 m. "Hipotezių klasifikavimas dėl Amfimiksio pranašumo").

Daugybė faktų, įskaitant tuos, kurie buvo gauti evoliucinių eksperimentų metu, rodo, kad seksualinė reprodukcija pagreitina prisitaikymą prie besikeičiančių sąlygų (žr. Nuorodas naujienų pabaigoje). Šis poveikis yra galimas dėl to, kad seksualinė reprodukcija padidina fiksacijos efektyvumą pasirinkus naudingas mutacijas ir atmesdamas kenksmingus. Lytinės reprodukcijos metu individų genomai nuolat sumaišomi ir keičiami, o genetiniai variantai (aleliai) visada yra skirtingose ​​kompanijose. Tai leidžia atrankai atskirai dirbti su naudingomis ir kenksmingomis mutacijomis, užtikrinant pirmąjį ir pašalinant antrą. Pvz., Jei naudinga mutacija atsiranda individo genomei, kuris turi kenksmingą mutaciją kitame genei, lytinio kartojimo metu kai kurie palikuonys paveldės tik naudingą mutaciją.Jie bus palaikomi atrankos būdu. Be to, seksualinio dauginimo metu naudingos mutacijos, atsiradusios skirtinguose genuose skirtinguose individuose, gali būti sujungtos viename genome.

Su asexual (kloniniu) reprodukcija, atranka gali dirbti tik su visais genomais. Todėl naudinga mutacija gali būti nustatyta tik kartu su visa "genine fone", įskaitant visas kenksmingas mutacijas, egzistuojančias šiame genome. Kitaip tariant, be asilios populiacijos, daugybė kenksmingų mutacijų turi būti nustatytos, skleidžiant per naudingas mutacijas, esančias kitur toje pačioje genomoje. Tai vadinama "genetine autostopu" (žr. "Genetinis autostopu").

Be to, bepročių populiacijoje naudingos mutacijos, atsirandančios skirtinguose genuose skirtinguose individuose, negali suvienyti. Vietoj to, jų vežėjai pradeda konkuruoti ir išstumti vienas kitą, o tai veda prie negrįžtamo praradimo naudingų mutacijų, kurios atsiranda gyventojų dauguma. Tai vadinama konkurencija klonai arba klonų trukdžių (žr. Ankstyvosiose stadijose pritaikymo nuspėjama, o vėliau – atsitiktinumas, "elementai", 2015/03/03, naujas rezultatai ilgalaikės evoliucijos eksperimentas: treniruoklių bandymų bakterijos ir toliau augti ", elementai", 23.12.2013).

Taigi, viena vertus, mes turime eksperimentinius duomenis, rodančius, kad seksualinė reprodukcija pagreitina adaptaciją, kita vertus, yra tikėtini šio poveikio teoriniai paaiškinimai. Trūksta tik tiesioginių molekulinių genetinių įrodymų, kad pagreitėjimas prisitaikymo genitalijų populiacijose, palyginus su netyčiniais, iš tikrųjų yra susijęs su teoriškai prognozuotais mechanizmais, tokiais kaip genetiniai autostrados ir kloniniai trikdžiai. Norint gauti tokius patvirtinimus, būtina sukurti ne tik "teisingą" eksperimentinę populiaciją, kuri nebūtų skiriasi viena nuo kitos, išskyrus seksualinės reprodukcijos buvimą ar nebuvimą, bet ir evoliucijos metu stebėti jų genomų pokyčius.

Būtent tai padarė ir Harvardo universiteto (JAV) biologai, kurių straipsnis buvo paskelbtas vasario 24 d. Žurnalo tinklalapyje Gamta.

Autoriai atliko evoliucinį eksperimentą dėl genetiškai modifikuotų kepinių mielių štamų, specialiai pagamintų šiam tikslui. Saccharomyces cerevisiae. Pagrindiniame eksperimente dalyvavo 18 eksperimentinių populiacijų: 12 "beprotiški", kurie padaugėjo tik nuo jaunimo (mitozės) ir 6 "lyties".kuri taip pat daugiausia kartų padaugėjo iš jaunųjų, bet po kas 90 nesenstančių kartų jie buvo priversti poruotis ir gaminti palikuonius seksualiai. Visos populiacijos pritaikytos gyventi tokiomis pačiomis sąlygomis 100 dienų (apie 1000 kartų).

Mielių gyvenimo ciklas parodytas fig. 1. Haploido ląstelės yra suskirstytos į dvi lytis: a ir α. Jie gali daugintis pradedant, ir gali sujungti į zigotą ir paversti diploidine ląstele. Diploidinės mielės taip pat gali daugintis jaunikliais, ir jie gali pradėti sporuliaciją ir dėl mejozės pasidaro keturios haploidinės sporos, iš kurių dvi priklausys grindims. a, ir du – iki α.

Pav. 1. Mielių gyvavimo ciklas Saccharomyces cerevisiae. Vaizdas iš wikimedia.org

Eksperimento metu bepatalių populiacijų ląstelės visada buvo haploidiniame faze ir dauginamos išimtinai buddingomis. Kad jie nebūtų mate, kiekviena populiacija susideda iš vienos lyties ląstelių (šešios populiacijos a ir šeši α).

Kiekvienoje genitalijų populiacijoje susideda iš dviejų heteroseksualių pusių, kurios buvo laikomos atskirai 90 kartų, tada mišrios ir dedamos tokiomis sąlygomis, kurios skatina seksualinį procesą.Po to buvo atrinktos ir dedamos diploidinės ląstelės, susidarančios poravimosi sąlygomis, kurios skatina sporulaciją. Tuomet diploidinės ląstelės, kurios nenorėjo paversti sporos, buvo atmestos, o iš sporų gautos haploidinės ląstelės buvo atskirtos lyties dalimi ir vėl buvo laikomos atskirai kitoms 90 kartoms.

Norint išgauti visas šias manipuliacijas, reikia sugebėti greitai ir veiksmingai atskirti diplopines ląsteles nuo haploidinių ląstelių, taip pat nuo lyties a iš grindų α. Tam buvo atlikti genetiškai modifikuoti eksperimentinių mielių genomai. Visų pirma buvo pridėtos atsparumo dviem antibiotikams genai, o tai buvo padaryta taip, kad ląstelės a pasirodė esanti atsparus tik pirmajam antibiotikui, ląstelėms α – tik antruoju, o diploidiniai ląstelės – abiem. Dėl kitų modifikacijų yra tik haploidinės grindų ląstelės a galėjo sintetinti histidiną, tik grindų haploidines ląsteles α jie gali gaminti leucinas, o abiejų lyčių haploidinės ląstelės gali sukelti uricilą, bet ne diploidines ląsteles. Dėl to autoriai galėjo greitai pasirinkti pageidaujamas ląsteles ir kontroliuoti patirties grynumą, pakaitomis naudodama maistingąsias terpes,turintis (arba ne) uracilą, histidiną, leuciną ir du antibiotikus skirtinguose deriniuose.

Aspekso ir seksualinės populiacijos sąlygos buvo kuo vienodesnės. Visos populiacijos buvo vienodo dydžio (apie 100 000 individų), laikomos tomis pačiomis talpyklomis toje pačioje temperatūroje ir toje pačioje maistinėje terpėje (YEPD). Kaip tiems manipuliacijų, kurios buvo atliekamos su seksualinių gyventojų, siekiant paskatinti juos įsitraukti į seksualinį procesą ir sporuliacija, kai kurie iš jų buvo atliekami ir su nelytinis ir kitų įtaka buvo išbandytas papildomų eksperimentų serija, kuri parodė, kad šie manipuliacijos ne patys paveikti evoliucijos eigą. Taip pat buvo atlikti papildomi evoliuciniai eksperimentai, kuriuose bevandenės populiacijos taip pat susideda iš dviejų pusių, kurios buvo laikomos atskirai 90 kartų, o po to mišrios (tačiau tik abi pusės buvo tos pačios lyties). Tai taip pat nepaveikė rezultatų.

Po 1000 kartų išmatuotas eksperimentinių populiacijų sugebėjimas prisitaikyti prie sąlygų, kuriomis jie vystėsi.Norėdami tai padaryti, originalus (protėvių) padermis, pažymėtas fluorescuojančia etikete, buvo sumaišytas lygiomis dalimis su bandymo kamienu ir augintas 30 kartų tokiomis pačiomis sąlygomis, kaip ir pagrindinis eksperimentas, ir tada buvo apskaičiuojama etiketėmis pažymėtų ląstelių dalis. Kuo mažesnis, tuo didesnis bandymo kameros tinkamumas. Paaiškėjo, kad seksualinės populiacijos geriau pritaikytos bepnygių: tarp pirmųjų fitnesas padidėjo 10-15%, o pastarojoje – tik 5-10%. Taigi dar kartą patvirtinta išvada, kad seksualinė reprodukcija pagreitina prisitaikymą.

Norėdami suprasti adaptacijos molekulinius mechanizmus, autoriai panaudojo visą genomo sekvenavimą. Kiekvienas 90 kartų, keturių lytinių organų ir keturių bepročių populiacijų mėginiai sekvenuoti. Kadangi DNR kiekviename mėginyje nebuvo vienos, bet iš įvairių ląstelių ir naudojamas galingas Illumina HiSeq 2500 sekazeris, ši procedūra leido mums nustatyti daugybę mutacijų, įvykusių populiacijose evoliucinio eksperimento metu, taip pat stebėti jų atsiradimo dažnumo pokyčius laiko atžvilgiu. Retųjų mutacijų nustatymas yra kupinas klaidų, todėl, siekiant patikimumo, autoriai sutelkė dėmesį tik į mutacijas, kurių dažnis šioje populiacijoje pasiekė bent 10% bent du kartus.Taigi nepaisyta plačiai paplitusių mutacijų.

Eksperimento metu pasirodžiusios mutacijos buvo lyginamos su mutacijomis, kurios buvo nustatytos eksperimento pabaigoje, tai yra, jos jau buvo visose tam tikros populiacijos ląstelėse (2 pav.).

Pav. 2 Visų pasirodytų mutacijų skaičius (visi) ir tie, kurie iki eksperimento pabaigos buvo fiksuojami, ty jie buvo rasti visose tam tikros populiacijos ląstelėse (Fiksuotas). Apibendrinti duomenys apie keturis be seksualines (Asseksualus) ir keturias lytis (seksualines) populiacijas. Alyva nurodytos mutacijos tarpgeninėse srityse (tarpgeninės), geltona – sinonimas (sinonimas), mėlynas – ne sinonimas (nesinonimas). Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Gamta

Pasirodo, kad visose populiacijose, tiek be seksualumo, tiek seksualinės kilmės, pasirodė apie vienodai naujas mutacijas (vidutiniškai 44 gyventojų). Be to, tarp registruotų mutacijų visur buvo maždaug toks pat santykis kaip nesinonimų (reikšmingų amino rūgščių pakeitimas baltymingumu), sinonimų (nekeičiant baltymų) ir tarpgeninių (esančių nekoduojančiuose genomo regionuose) santykiu. Tai reiškia, kad dviejų tyrimų variantų mutagenezės procesas nesiskyrė.

Tačiau įrašytų mutacijų skaičius ir sudėtis visai kitokia neprognozuotose ir seksualinėse populiacijose. Pirmuoju atveju nustatyta dauguma (78%) užregistruotų mutacijų, tarp jų 79% nesinonimų, 74% sinonimų ir 78% intergeninių. Kitaip tariant, buvo užfiksuota maždaug vienoda visų trijų tipų mutacijų proporcija. Genitalijų populiacijose viskas buvo kitokia. Pirma, buvo užregistruotos žymiai mažiau mutacijų (16% visų užregistruotų), antra, daugiausia reikšmingų mutacijų buvo užfiksuota (22% skaičiaus), sinonimai iš viso nebuvo nustatyti (0%) ir tik 11% buvo fiksuoti intergenic ( 2 pav.).

Šis rezultatas puikiai sutampa su idėja, kad seksualinėse populiacijose yra nustatytos tik naudingos mutacijos (tarp jų svarbiausios yra mutacijos, tačiau genomo reguliuojamose srityse yra ir tarpgeninių). Sinoniminės mutacijos dažniausiai yra neutralios, todėl jos nebuvo įrašytos į genitalijų populiacijas. Tačiau be asilumo populiacijose, kartu su keletu naudingų mutacijų, buvo užfiksuotas visas jų "genetinis fonas", įskaitant kenksmingas ir neutralias mutacijas, kurios atrodė esančios toje pačioje genomoje kaip naudingos.Žinoma, dėl to būtina, kad naudingos mutacijos poveikis būtų didesnis už kumuliacinį visų kenksmingų mutacijų, kurios plinta kartu su "genetine autostopu", poveikį.

Čia būtina paaiškinti, kad ilguoju laikotarpiu natūraliose populiacijose nustatomos neutraliausios mutacijos, įskaitant sinonimus. Tačiau tai nėra dėl atrankos, bet dėl ​​genetinio dreifo. Tačiau šio eksperimento metu dreifą galima nepaisyti. Norint, kad 100 000 žmonių populiacijai būtų sukurta nauja neutrali mutacija, nustatoma dreifu, reikalingi šimtų tūkstančių kartų laiko intervalai. Tačiau eksperimentas truko tik 1000 kartų, todėl eksperimentinėse populiacijose dėl dreifo nieko nebuvo galima nustatyti. Tos mutacijos, kurios yra nustatytos jose, padarė tai greičiausiai priklausomai nuo atrankos, o ne dreifo.

Taigi gautas rezultatas rodo, kad seksualinė reprodukcija padeda atrinkti atskiras naudingas mutacijas nuo visų kitų ir juos tik pašalinti, tuo tarpu kai kuriose bepročių populiacijose kartu su keliomis naudingomis mutacijomis, dėl įvairias šiukšles, registruojamos daug šiukšlių.

Ši išvada buvo patvirtinta analizuojant mutacijų atsiradimo dažnį (3 pav.). Seksualiniuose populiacijose skirtingų mutacijų dažniai pasikeitė nepriklausomai vienas nuo kito, ir be asjėginių, didelės funkciniu požiūriu nesusijusių mutacijų grupės keitėsi dažniai sinchroniškai. Pirmasis atitinka individualų selekcijos veiksmą atskiruose genomo poskyriuose, antrasis – iki visos genomų klonų evoliucijos. Be to, 3 paveiksle matyti, kaip bezdvalenėse populiacijose kai kurios mutacijų grupės pirmą kartą sparčiai didina dažnumą, o jų dažnis mažėja iki visiško išnykimo. Tai yra klonų trikdžių rezultatas, ty klonų išsekimas sėkmingais mutacijomis kitų klonų ir dar labiau sėkmingų mutacijų. Genitalijų populiacijoje gali būti nustatytos abiejų klonų naudingos mutacijos, tačiau bevargiame populiacijoje jie gali konkuruoti ir išstumti vieni kitus.

Pav. 3 Naujų mutacijų pasireiškimo dažnumas keturiose beprotiškai (kairėje) ir keturi genitalijų populiacija. Išilgai horizontalios ašies – laikas kartoms. Kietosios linijos – nesinonimų mutacijos, didelė taškinė linija – sinonimas, bauda punktyrinė linija – tarpgenezinis.Matoma, kad genitalijų populiacijose mutacijos pasikeitė dažniau ir buvo registruojamos daugiau ar mažiau nepriklausomai vienas nuo kito, tuo tarpu be asilumo populiacijose jie tai padarė grupėmis. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Gamta

Norint išsamiau suprasti lyties poveikį molekulinei evoliucijai, autoriai bandė tiesiogiai įvertinti individualių mutacijų poveikį mielių tinkamumui. Dėl šios priežasties vienos ar kitos mutacijos štamas buvo sunaikintas su protėvių linija, o daugybė klonų buvo išskirti iš hibridinių palikuonių, kuriuose buvo šios mutacijos skirtingose ​​genetinėse aplinkose. Po to jie pastebėjo, kaip dažnio mutacijos serijose be asvandžių kartų visose šiose klonose padidėja arba mažėja, o rezultatai buvo vidutiniški. Kitas būdas – dirbtinai įdėti mutacijas į protėvių kamieno genomą.

Kaip buvo galima tikėtis, kiekvienoje mutacijų grupėje, kuri buvo nustatyta kaip bepročių populiacijose (mes prisimename, kad su netyčia dauginimu, mutacijos fiksuojamos grupėmis), rasta bent viena naudinga mutacija. Tačiau daugybė kitų nemalonių populiacijų nustatytų mutacijų pasirodė neutralios arba kenksmingos. Kai kurie iš jų sumažina fitneso lygį 1-3%.Akivaizdu, kad jie gali būti nustatyti tik autostop. Idėja, kad mutacijos, turinčios reikšmingo neigiamo poveikio, gali būti nustatytos pritaikant asemines populiacijas, buvo išreikštos anksčiau, tačiau tai buvo eksperimentinė patvirtinta pirmą kartą.

Tarp genitalijų populiacijose nustatytų mutacijų, kenksmingų ar neutralių nebuvo galima rasti – visi jie pasirodė esą naudingi. Tiesa, viena mutacija pakeitė geną MET2 (koduoja fermentą, dalyvaujančią metionino sintezėje) yra žalingas protėvių genetiniame kontekste. Tačiau tai naudinga prieš kitas šios eksperimentinės linijos anksčiau iškilusias mutacijas. Mutacijų naudingumo (ir fenotipinio poveikio apskritai) priklausomybė nuo genetinio konteksto vadinama epistaze. Anksčiau buvo parodyta, kad epistazė vaidina vaidmenį mielių evoliucijoje, nors tai nėra beveik tokia pat svarbi kaip ir bakterijose (žr. Prognozuojamą fitneso augimą pasiekiama nenuspėjamais būdais, Elements, 2014 m. Birželio 6 d.).

Šis tyrimas yra vienas iš darbų, patvirtinančių ir atskleidžiančių gilesnį, molekulinį lygį senąsias klasikines evoliucines idėjas (žr. A. V. Markovą, E. B.Naimark, 2014. Evoliucija. Klasikinės idėjos atsižvelgiant į naujus atradimus). Šiuo atveju puikiai patvirtinta mintis, kad seksualinė reprodukcija pagreitina prisitaikymą, todėl parinkimas padeda atskirti naudingas mutacijas nuo kenksmingų. Dėl seksualinės reprodukcijos blokuojami tokie nepageidaujami procesai kaip genetiniai autostrados būdai, kurie padeda nustatyti žalingas mutacijas, ir klonų trikdžiai, kurie smerkia daugumą naujai atsiradusių naudingų mutacijų.

Šaltinis: Michael J. McDonald, Daniel P. Rice ir Michael M. Desai. Sekso greičio adaptavimas keičiant Gamta. Paskelbta internete 2016 m. Vasario 24 d.

Taip pat žiūrėkite:
1) Eksperimentai su kirminiais parodė, kad patinai yra naudingi dalykai, "Elements", 2009 10 10.
2) Įvairi aplinka skatina lytinį atsinaujinimą, vienatūri – be asmetimo, "Elements", 2010 11/15.
3) eksperimentai įrodė vyrų naudojimą, "elementai", 2011-07-18.
4) Mielių seksas nėra iš gero gyvenimo, "Elements", 2012-04-18.

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