Forudsigelig vækst af fitness opnås på uforudsigelige måder • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Evolution, Genetics

Forudsigelig stigning i fitness opnås på uforudsigelige måder.

Fig. 1. Projektets opbygning. Fra en enkelt ancestral haploidcelle (DivAnc) modtog 432 linjer, som udviklede sig under de samme forhold, men med forskellige befolkningstal over 240 generationer (diversificeringsfase, Diversifikation). Af disse linjer blev 64 grundlægger udvalgt. Fra hver grundlægger modtog 10 eksperimentelle linjer, hvoraf hver anden 500 generationer tilpassede sig de samme betingelser med den samme (høje) befolkningsstørrelse (tilpasningsfase, tilpasning). Grønne nuancer fitness er vist (jo mørkere jo højere). Figur fra yderligere materialer til artiklen under drøftelse iVidenskab

Amerikanske biologer gennemførte et evolutionært eksperiment, hvor 640 linjer af gær stammer fra 64 genetisk forskellige grundceller, tilpasset til de samme betingelser i 500 generationer. Vækst af fitness i forsøgsliner var jo hurtigere, jo lavere var grundlæggerens oprindelige fitness. Som et resultat forsvandt i forskelens slutning forskelle i fitness. Sætene af nyttige mutationer, der blev fastgjort i forskellige linjer, var ikke afhængige af den oprindelige genotype og viste sig at være forskellige på nukleotidniveauet, selvom mange af dem rørte ved de samme gener.Undersøgelsen afslørede ikke specifikke interaktioner mellem mutationer, men viste, at anvendeligheden af ​​den samme mutation falder med en stigning i genotypeens generelle egnethed.

Et af de vigtigste spørgsmål om evolutionær biologi er spørgsmålet om forholdet mellem chance og regelmæssighed i adaptiv evolution. Mutationer er for det meste tilfældige, men hvilke af dem vil blive rettet, og som vil blive elimineret, afhænger af deres virkning på fitness (avl effektivitet). For eksempel, hvis der kun er en enkelt mutation, der er i stand til at forbedre tilpasningsevnen af ​​en given genotype til givne miljøforhold, vil tilpasningsprocessen være ret forudsigelig på trods af tilfældig art mutagenese. Alle mutationer vil blive elimineret indtil den eneste, som udvælgelsen understøtter.

Hvis der er mange potentielt nyttige mutationer, så kommer spørgsmålet om epistase (se Epistase), det vil sige hvordan disse mutationer interagerer med hinanden, frem i forgrunden. Forløbet af adaptiv udvikling vil blive bestemt af, hvordan de tidligere faste mutationer påvirker nytteværdien af ​​dem, der endnu ikke er kommet frem.

Hvis epistasis er fraværende (dvs. virkningerne af mutationer er uafhængige af hinanden),så vil nyttige mutationer blive fastgjort i tilfældig rækkefølge, og tilpasningsforløbet vil stort set være tilfældigt. Stærke epistaser begrænser antallet af tilladte evolutionære baner og gør adaptiv evolution mere forudsigelig og mere afhængig af indledende forhold, det vil sige, hvilke mutationer der vil forekomme først (for mere detaljer, se nyhederne. Evolutionstrin er forudbestemt på molekylært niveau, "Elements", 04/12/2006 og Udvidelsen af ​​proteinuniverset fortsætter, "Elements", 05/24/2010).

Elementer har allerede talt om evolutionære eksperimenter, der viste den vigtige rolle epistase i den adaptive udvikling af bakterier (Parallel evolution blev studeret i et eksperiment på bakterier, Elements, 1. februar 2012; I et langsigtet evolutionært eksperiment blev der udvalgt til evolutionære perspektiver, Elements, 25.03. 2011). Amerikanske biologer, der offentliggjorde resultaterne af deres forskning i det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab, udført et lignende eksperiment på gær og opnåede resultater, som er meget forskellige fra dem, der blev opnået tidligere på bakterier.

Forsøget anvendte samme køn, haploidgær, utilgængelig for den seksuelle proces (se parring af gær).Sandsynligvis lykkedes nogle eksperimentelle linjer at omgå de forhindringer, der var placeret foran dem, ændrede kødet, begyndte at parre og passere ind i en diploid tilstand (se nedenfor). Gærens egnethed blev målt i konkurrenceprøver, hvilket tvang dem til at formere sig ved destillation i en blandet kultur med en mærket kontrolstamme.

Forsøget bestod af to trin (figur 1). I første fase ("diversificering") levede 432 linjer afledt af en enkelt forfædre haploidcelle i en standardrig miljø, enten med en høj eller lav befolkningsstørrelse i 240 generationer (10 generationer pr. Dag). Forfatterne ønskede at få et sæt linjer, der varierer meget i fitness. De antog, at i små populationer, på grund af genetisk drift, bliver svage skadelige mutationer hyppigere registreret, og i store populationer, hvor drift er svagere, og udvælgelsen er mere effektiv, akkumuleres skadelige mutationer mindre og mere nyttige. Deres forventninger blev generelt bekræftet, og ved udgangen af ​​diversificeringsfasen modtog de et sæt linjer, der var meget forskellige i fitness. Fra disse linjer valgte de 64 "grundlægger" celler, og prøven blev oprettet på en sådan måde, at den dækkede hele spændvidden af ​​fitness variabilitet.Grundlæggernes genomer adskiller sig fra stamcellernes genom med et gennemsnit på 4,2 mutationer, der blev forankret under diversificering. Alle grundlæggere havde forskellige sæt mutationer. Dette tillod forfatterne at vurdere indflydelsen af ​​den "genetiske kontekst" på den efterfølgende udvikling.

Den anden fase af forsøget ("tilpasning") bestod i, at der blev produceret 10 linjer fra hver grundlægger, hvorefter alle 640 af de resulterende linjer uafhængigt af hinanden fortsatte med at tilpasse sig til de samme betingelser i 500 generationer. Antallet af alle populationer var nu det samme (høje). Periodisk blev en del af hver population frosset ved -80 ° C, hvilket skabte en "levende fossil rekord" af eksperimentet.

Alt dette blev opfundet for at vurdere på den ene side den evolutionære proces stokasticitet på den anden side – indflydelsen af ​​den genetiske baggrund på tilpasningens forløb. Stokasticitet blev evalueret ved at sammenligne linjerne fra samme grundlægger. For at vurdere indflydelsen af ​​den genetiske kontekst blev linjer fra forskellige grundlæggere sammenlignet.

Tilpasningsevnen af ​​eksperimentelle gær over 500 generationer er vokset i gennemsnit med 6,6%.På samme tid blev forskellene i fitness mellem linjerne udglattet i stor udstrækning (figur 2).

Fig. 2. Forsøget for forsøgspopulationer i begyndelsen af ​​tilpasningsfasen (blå søjler), i midten (grønne barer) og i slutningen (orange barer). Langs den vandrette akse – Fitness, lodret – Antallet af befolkninger med en sådan fitness. Det kan ses, at fordelingen ved afslutningen af ​​forsøget blev mindre, dvs. at variationen i fitness faldt. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Udjævning af forskellene skyldes det faktum, at linjerne fra grundlæggerne med en høj initialt fitness øgedes deres kondition under eksperimentet langsommere end linierne med den indledende lave fitness. Ledere bremset ned og slog sig bagud, og som følge heraf faldt spredningen. På trods af de ulige udgangspositioner er de eksperimentelle populationer over 500 generationer således kommet til lignende resultater. Det kan siges, at tilpasningsevnen var delvis forudsigelig – hvis vi kun tager højde for fitness og ikke går ind i dens genetiske grundlag.

Statistisk analyse tillod os at estimere indflydelsen af ​​forskellige faktorer på fitnessvækstraten (figur 3). Det viste sig, at forskellene mellem linjerne i fitnessfrekvensen med 29% bestemmes af evolutionær stokasticitet (det vil sige ved forskellige måder, som tilpasningen af ​​forskellige efterkommere fra samme grundlægger gik), med 21% ved målefejl, med 50% af grundlæggernes egenskaber. Desuden er disse vigtige egenskaber den mest vigtige: Det bestemmer 46% af ovennævnte 50%, og kun 4% afhænger af grundlæggerens genotype specifikke egenskaber.

Fig. 3. Bidraget fra forskellige faktorer til forskelle i størrelsen af ​​stigningen i fitness efter 250 generationer af tilpasning (øverst) og efter 500 generationer (nedenunder). Grundlægger – grundlægger, Evolutionær stokasticitet – evolutionær stokasticitet, målefejl – målefejl, grundlægger genotype – grundlægger genotype, grundlægger fitness – grundlægger fitness. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Med andre ord blev væksten i egnethed i gærens eksperimentelle linjer først og fremmest bestemt af, hvor godt grundlæggeren var – uanset hvilken mængde mutationer der blev givet ham denne form for fitness.Efterkommerne fra de velindrettede grundlæggere tilpassede sig langsomt, efterkommerne af de dårlig tilpassede hurtigt. Den specifikke "genetiske baggrund" havde kun en meget lille (omend statistisk signifikant) effekt på tilpasningsgraden.

Dette resultat er delvis i overensstemmelse med konklusionerne fra andre evolutionære eksperimenter, hvor også en langsommere stigning i fitness blev vist. Således blev det i det langsigtede evolutionære eksperiment af Richard Lensky observeret, at hver forankret nyttig mutation gør efterfølgende genetiske forbedringer i gennemsnit mindre nyttige. Dette fænomen er blevet kaldt "epistasis af faldende afkast" (se Nye resultater af et langsigtet evolutionært eksperiment: Eksperimentelle bakteriers egnethed fortsætter med at vokse, elementer, 12/23/2013).

Men at komme op med et navn betyder ikke at forklare mekanismen. Afmatningen i fitness kan skyldes forskellige grunde. For eksempel er der en hypotese af "modulær epistase". Det antager, at mange nyttige mutationer er overflødige i den forstand, at hvis en af ​​dem allerede har fundet sted, vil de andre ikke kunne tilføje noget til dets gavnlige virkning.Antag, at kroppen er nyttig under disse forhold for at deaktivere et funktionelt modul. Dette kan opnås ved at deaktivere et eller andet gen. Mutationer med denne effekt kan være meget. Den første mutation, der slukker genet, vil være nyttig, og udvælgelsen vil understøtte den. Men hvis genet er allerede deaktiveret, vil de nye mutationer, der beskadiger det, ikke længere være nyttige: de bliver neutrale. Det samme vil ske, hvis det er fordelagtigt ikke at deaktivere modulet, men at styrke sit arbejde. Det kan trods alt også gøres på mange måder (ved hjælp af mange forskellige mutationer). Afmatningen i fitnessens vækst kan skyldes, at de flere moduler allerede er optimeret, jo færre muligheder forbliver for noget andet at forbedre.

En anden model ("specifik epistase") antyder, at brugen af ​​de fleste mutationer stærkt afhænger af den genetiske kontekst, så hver ny muteret mutation kan dramatisk ændre chancerne for at fikse andre mutationer. I dette tilfælde bliver stien til maksimal fitness som en labyrint med mange gafler og døde ender. Geografien i denne labyrint kan være sådan, at jo længere du får, desto mindre chance er du nødt til at flytte frem lidt mere.

Endelig er en variant af "global epistase" mulig, når brugen af ​​mutationer afhænger lidt af den specifikke genetiske kontekst, men afhænger stærkt af organismens overordnede egnethed. Samtidig vil den samme mutation medføre en lille fordel for en velindrettet organisme, mens en dårligt tilpasset vil være til stor gavn.

Hvis en "modulær" eller "specifik" epistase hersker, bør udviklingens udvikling stærkt afhænge af den oprindelige genotype. I dette tilfælde vil eksperimentelle gærlinier afledt af samme grundlægger have lignende sæt mutationer. Hvis global epistase hersker, kan sætningerne af mutationer i de samme grundlæggers efterkommere afvige så meget som i efterkommere fra forskellige grundlæggere.

For at teste disse antagelser sekvenserede og sammenlignede forfatterne de fuldstændige genomer af 104 eksperimentelle kloner afledt af 13 grundlæggere. Faktisk blev 150 efterkommere fra de 15 grundlæggere afvalgt, men mange kloner viste, som det viste sig, "uautoriserede" evolutionære ændringer, såsom fiksering af en mutatorallel (se Nye resultater af et langsigtet evolutionært eksperiment: Eksperimentelle bakteriers tilstrækkelighed fortsætter med at vokse, elementer12/23/2013) eller genoprettelse af evnen til seksuel proces og overgangen til diploid tilstanden. Sådanne kloner blev udelukket fra overvejelse.

De resterende 104 kloner viste i alt 1149 mutationer, som blev fikseret ved tilpasningstrinnet. På 13 grundlæggere på diversificeringsstadiet registreres 55 mutationer. I hver linje blev der således registreret ca. én mutation hver 50 generationer, både i diversificeringsfasen og i tilpasningstrinnet.

Forfatterne udelukket fra overvejelser synonymt substitutioner og mutationer i intergeneriske huller, fordi de sandsynligvis ikke har funktionel betydning. Der er 818 mutationer, formodentlig vigtige for organismen. Tidligere eksperimenter på den parallelle udvikling af bakterier og vira har vist, at tilpasning til de samme betingelser ofte fører til uafhængig fiksering af de samme mutationer i forskellige eksperimentelle linjer. Et eksperiment på gær gav forskellige resultater: alle identificerede mutationer, bortset fra fire, viste sig at være unikke, det vil sige kun karakteristiske for en klon på 104.

Skønt mutationerne selv på nukleotidniveauet var forskellige, var der en signifikant lighed i sætene af gener, hvori mutationer blev fikseret i forskellige kloner (som i eksperimenter med den parallelle udvikling af bakterier).For eksempel blev der fundet 24 gener, mutationer, hvori de blev uafhængigt fikseret i tre eller flere kloner. I tilfældet med en tilfældig fordeling ville dette tal være en størrelsesorden mindre. Naturligvis har mutationer i disse 24 gener ofte vist sig nyttige under forsøgsbetingelser.

Man ville antage, at efterkommerne af mindre tilpassede grundlæggere (hvis egnethed voksede stærkere) i tilpasningsprocessen blev fikset mere funktionelt vigtige (og formodentlig nyttige) mutationer end i efterkommere af grundlæggere med høj fitness. Dette blev dog ikke bekræftet: for dem og andre viste antallet af formodentlige nyttige mutationer, der stod på gennemsnittet, at være det samme. Dette er i overensstemmelse med resultaterne fra Lensky-eksperimentet, hvor antallet af mutationer voksede konstant, selvom træning steg med deceleration (se resultaterne af et evolutionært forsøg 40.000 generationer lang, Elements, 02.11.2009).

Forfatterne opnåede det vigtigste resultat ved at sammenligne sætene af muterede gener i kloner afledt af det samme og fra forskellige grundlæggere. Det viste sig, at oprindelsen fra en grundlægger (det vil sige den samme genetiske baggrund) ikke øger sandsynligheden for mutationer i de samme gener overhovedet.Niveauet af lighed i sæt af muterede gener viste sig at være det samme for kloner med samme og forskellige genetiske baggrunde. Dette resultat er et stærkt argument til fordel for "global epistasis" -hypotesen og mod modellerne af "modulær epistase" og "specifik epistase".

Yderligere gentekniske eksperimenter bekræftede også global epistase. Forfatterne valgte tre gener, hvori mutationer uafhængige af disse kloner blev uafhængigt knyttet til adskillige kloner (figur 4). Det betyder, at det vil sandsynligvis øge fitnessen under disse forhold. Forskere har kunstigt deaktiveret disse gener i 13 grundlæggere, i en fælles forfader, og i flere yderligere kloner med forskellige fitness. Det viste sig, at denne procedure virkelig forbedrer fitness, og styrken af ​​den positive effekt afhænger af klonens oprindelige egnethed. Gær med oprindeligt høj fitness vinder kun en lille gevinst ved at slukke for et af de tre gener, mens det med lavt fitnessgær giver det mærkbart flere fordele.

Fig. 4. Den gavnlige virkning af den samme mutation falder med en stigning i den generelle egnethed af genotypen, hvori denne mutation forekom.Effekten af ​​deletion af et af de tre gener er vist (gat2, whi2, sfl1) på egnetheden af ​​forskellige gærkloner afhængigt af disse klones oprindelige egnethed. Lodret akse – Ændring i fitness (i%) efter genfjernelse, på den vandrette akse – klonens oprindelige egnethed Gen fjernelse ho (grå badges), der ikke påvirker fitness, blev brugt som kontrol. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Undersøgelsen viste således, at global epistase spiller en vigtig rolle i den adaptive udvikling af gær. Jo højere egnetheden er, desto mindre gavner nye nyttige mutationer, og denne effekt afhænger næsten ikke af den specifikke genetiske kontekst. Nytteligheden af ​​mutationer afhænger kun af den generelle egnethed, men ikke på de genetiske egenskaber, som denne fitness er betinget af. Årsagerne og mekanismerne, som giver global epistase i gær, er endnu ikke kendt: mere forskning er nødvendig for at identificere dem.

Hidtil er der ikke noget svar på spørgsmålet om, hvorfor specifik epistase – den gensidige indflydelse af mutationer, der manifesterede sig klart i forsøg på bakterier – ikke blev fundet i gær.Måske er dette på en eller anden måde forbundet med de grundlæggende forskelle mellem den genomiske arkitektur af prokaryoter og eukaryoter (disse forskelle beskrives detaljeret i Eugene Kunins bog, "The Logic of Case"). Enorme populationer er karakteristiske for prokaryoter, hvilket øger effektiviteten af ​​rensningsudvælgelsen. Måske er det derfor, at prokaryotiske genomer optimeres og kompakte, der er små "genetiske affald" i dem, men kun få grader af frihed til evolutionære transformationer; visse funktionelle blokke af arvelig information er for tæt til hinanden – herunder på grund af den sammenknyttede arv, der genereres af manglen på en ægte seksuel proces og den relative sjældenhed af den horisontale udveksling af gener mellem organismer. Eukaryoter, selv single-cellede, er i gennemsnit meget større end prokaryoter, derfor er deres populationer mindre, og rensningsvalg er ikke så effektivt. Derfor er strukturen af ​​genomerne i dem mere "løs", der er mange ikke-kodende sektioner og forskellige egoistiske elementer i dem. Derudover bliver alleler konstant blandet under seksuel reproduktion, og derfor ikke så meget "lappet" til hinanden. Et af manifestationerne af disse fælles egenskaber ved eukaryotiske genomer kan være svækkelsen af ​​afhængigheden af ​​anvendeligheden af ​​mutationer på en specifik genetisk kontekst.Vi har dog stadig for få data om det genetiske grundlag for den adaptive udvikling af eukaryoter for at gøre globale konklusioner.

Kilde: Sergey Kryazhimskiy, Daniel P. Rice, Elizabeth R. Jerison, Michael M. Desai. Global epistase gør tilpasning forudsigelig trods sekvens-niveau stokasticitet // Videnskab. 2014. V. 344. P. 1519-1522.

Se også "epistasis af faldende afkast" og den langsomme vækst i fitness:
1) Resultaterne af et evolutionært eksperiment med en længde på 40.000 generationer, "Elements", 02.11.2009.
2) Nye resultater af et langsigtet evolutionært eksperiment: Tilpasningsevnen af ​​eksperimentelle bakterier fortsætter med at vokse, "Elements", 12.23.2013.

På rollen som "specifik epistase" (indflydelsen af ​​en specifik genomisk kontekst på anvendeligheden af ​​mutationer):
1) Parallel evolution blev undersøgt i eksperimentet om bakterier, "Elements", 01.02.2012.
2) Evolutionens stier er forudbestemt på molekylært niveau, "Elements", 12.04.2006.
3) Udvidelsen af ​​proteinuniverset fortsætter, "Elements", 05/24/2010.
4) I det langsigtede evolutionære eksperiment blev udvælgelsen for "evolutionær perspektivitet" og "elementer" afsløret, 03/25/2011.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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