Fremkomsten af ​​nye enzymer spores i et evolutionært eksperiment • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elementerne" • Evolution, Genetik

Fremgangsmåden ved fremkomsten af ​​nye enzymer spores i et evolutionært eksperiment

Salmonella enterica"border = 0>

Fig. 1. bakterie Salmonella enterica. Billede fra microbewiki.kenyon.edu

Bakterieforsøg Salmonella enterica viste, at nye enzymer kan opstå under "innovation – amplifikation – divergens" ordningen. For det første fremkommer enzymet som følge af mutation yderligere katalytisk aktivitet ("innovation"). Hvis den nye funktion viser sig nyttig, vil udvælgelsen understøtte amplifikationen (udseendet af yderligere kopier) af det ændrede gen. I fremtiden vil arbejdsdeling mellem kopier ("divergens") sandsynligvis forekomme: nogle eksemplarer optimeres ved valg af den gamle funktion, andre til den nye. I nøje overensstemmelse med denne ordning blev et enzym, som katalyserer et af stadierne af tryptofansyntese, opnået ud fra et enzym involveret i syntese af aminosyrehistidin.

Teoretiske scenarier

Nye gener fremkommer som regel fra de gamle som følge af amplifikation (forøgelse af antallet af genkopier, se Gen-duplikering), efterfulgt af opdeling af funktioner mellem kopier. En ny funktion kan forekomme i et af kopierne efter forstærkning. En alternativ mulighed er udseendet af en ekstra funktion i genet, før den er blevet forstærket (for flere detaljer, sei notatet Multifunktionelle gener – grundlaget for evolutionære innovationer, "Elements", 30.06.2008).

I begge tilfælde er et obligatorisk trin at fastsætte nyttige mutationer i en eller flere kopier af genet efter amplifikation. Problemet er, at disse nyttige mutationer skal løses hurtigt – før de "overflødige" kopier af genet er ødelagt af skadelige mutationer eller helt tabt. Hvis udvælgelse ikke forhindrer skade på disse kopier, vil de sandsynligvis blive håbløst forkælet, før der kan forekomme en nyttig mutation (fordi skadelige mutationer forekommer meget oftere end nyttige mutationer). Som et resultat vil alt vende tilbage til det normale, og i genomet igen vil der kun være en arbejds kopi af genet plus en vis mængde "skrald" – pseudogenerne ødelagt af mutationer, hvor de andre kopier vil vende.

Biologer fra Sverige og USA foreslog og eksperimentelt testede scenariet om fremkomsten af ​​nye gener, som de kaldte IAD (innovation-amplifikation-divergens, innovation-amplifikation-divergens). Scenariet ligner den velkendte mekanisme til at "undgå en adaptiv konflikt", som er beskrevet i den førnævnte artikel, men den har en væsentlig forskel.I IAD-scenariet har amplifikationen selv en adaptiv betydning, det vil sige, at de nyligt dannede kopier af genet ikke er "overflødige" fra begyndelsen: de er nyttige, og derfor forhindrer valg deres skade. Dette giver dem tid til at vente på udseendet af nyttige mutationer.

Fig. 2. Dannelsen af ​​et nyt gen i henhold til "innovation-amplifikation-divergens" -ordningen. Forklaringer i teksten. Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

IAD diagrammet er vist i fig. 2. I genet med hovedfunktionen A fremkommer en yderligere funktion B (eller findes oprindeligt som en "bivirkning"), som oprindeligt udføres med lav effektivitet (og betegnes derfor som b). Hvis denne sidefunktion pludselig viser sig at være nyttig (for eksempel på grund af en ændring i miljøforholdene), vil udvælgelsen begynde at understøtte mutationer, der forbedrer denne funktion. Den enkleste måde at nå dette mål på, uden at krænke funktion A, er at forstærke et bifunktionelt gen. Jo flere kopier af genet vil være i genomet, desto mere molekyler af det tilsvarende protein vil være, og jo mere effektive funktion B vil blive udført. Således vil udvælgelsen understøtte genduplikationer og beskytte yderligere kopier, som fremgår af mutationsskader.Forfatterne bemærker, at genforstærkning er en meget almindelig kategori af mutationer. For eksempel i bakterier Salmonella entericasom de arbejdede med, er sandsynligheden for at duplikere et hvilket som helst gen ca. 10-5 pr. celledeling.

Herefter vil multiplicerede kopier af genet være i stand til at specialisere sig. Hvis der i en af ​​eksemplerne er mutationer, der forbedrer funktionen B til skade for A, vil udvælgelsen understøtte dem, fordi funktion B er "mangelfuld" og andre kopier klarer med succes funktion A. I en af ​​dem kan funktion A blive yderligere optimeret – muligvis på grund af det fuldstændige tab af funktion B.

Efter udseendet af "specialist" -generne optimeret til effektiv udførelse af funktionerne A og B bliver de resterende kopier virkelig overflødige. Derefter vil de sandsynligvis hurtigt pseudogenisere eller gå tabt.

Eksperimentel bekræftelse

For at teste deres ideer etablerede forfatterne et evolutionært eksperiment på salmonella. Til at begynde med tog de bakterierne fra hvis genom genet blev fjernet trpF. Enzymet kodet af dette gen katalyserer et af stadierne i syntesen af ​​aminosyretryptophanet. Et lignende trin i syntesen af ​​en anden aminosyre, histidin, katalyseres af hisA-enzymet. Voksende salmonella mangler et gen trpF, i et medium, der ikke indeholder tryptophan, fandt forskerne bakterier, der havde en spontan mutation (mere præcist et kompleks af to mutationer – fordobling af tre codoner og erstatning af en aminosyre) i genet Hisa. Som et resultat blev hisA-enzymet bifunktionelt. Han erhvervede evnen til at udføre trpF-funktionen, omend med lav effektivitet. Den oprindelige funktion af hansA blev påvirket, det vil sige, at histidinsyntese blev mindre effektiv. Men stadig fik mutante bakterier evnen til at vokse langsomt i et miljø, der hverken indeholder tryptophan eller histidin. Den resulterende mutation kan således betragtes som den første fase – "innovation" i IAD-scenariet. Nu var det nødvendigt at kontrollere, om de to andre faser er mulige.

Mutantbakterier blev opdelt i adskillige linjer, som blev dyrket adskilt fra hinanden i et miljø uden tryptophan og histidin. At spore gent duplikationer ved siden af HISA forskere satte et gult fluorescerende protein gen YFP, således at antallet af kopier af dette fragment af genomet kunne bedømmes ved hjælp af fluorescensens styrke. Siden mutanten hansA enzym udførte sine funktioner dårligt, voksede bakterierne først til at vokse langsomt og fordoblede deres antal i 5,1 timer.Til sammenligning, i mediet med tryptophan i disse bakterier, fra en division til en anden, tog det 2,8 timer med histidin – 2,6, med begge aminosyrer – 1,5.

Efter nogle få hundrede generationer steg mængden af ​​reproduktion af bakterier i mange linjer signifikant. Dette skete som forventet på grund af forstærkningen af ​​det bifunktionelle gen. Op til 20 kopier vises i nogle linjer. HISA. Som et resultat heraf øgede mængden af ​​enzym produceret af celler, og begge aminosyrer begyndte at blive syntetiseret hurtigere. Således blev det andet trin i det foreslåede scenario – forstærkning – også bekræftet.

Forsøget varede i 3000 generationer, og i løbet af disse tidsmutationer, der accelererer væksten er konsolideret i alle linjer. På samme tid forekom de fleste af linjerne enzymer – "specialister", der effektivt udførte en af ​​to funktioner. I nogle tilfælde var det ledsaget af tab af unødvendige kopier (to eksemplarer blev "specialister", resten blev tabt). Disse resultater er i overensstemmelse med forudsigelserne af IAD-modellen. Men noget uventet blev også opdaget: På nogle måder blev der under påvirkning af mutationer og selektion dannet et "generalistisk" enzym, som klare sig godt med begge funktioner samtidigt.

Fig. 3. Fire eksempler på evolutionære baner registreret i eksperimentet. diamanter svarer til forskellige versioner af hansA-enzymet. På diagrammerne på den vandrette akse effektiviteten af ​​histidinsyntese blev udskudt (det blev estimeret som væksthastigheden af ​​bakterier i et miljø med tryptophan uden histidin), på lodret – Effektiviteten af ​​tryptofansyntese (målt som væksthastigheden i et miljø med histidin uden tryptophan). Alle eksperimentelle linjer havde oprindeligt en kopi af genet med dup13-15 og D10G mutationer. Dette enzym udfører begge funktioner, men med lav effektivitet. I tilfælde af En Efter amplifikation blev en af ​​kopierne af det oprindelige gen optimeret til histidinsyntese, idet den mistede evnen til at syntetisere tryptophan (D10G), den anden blev optimeret til tryptofansyntese og havde glemt hvordan man syntetiserer histidin (dup13-15, D10G, G81D). I tilfælde B og C Det oprindelige gen erhvervede først G102A-mutationen, hvilket gjorde det til en mere effektiv "generalist", men den blev forstærket, og dens forskellige kopier specialiseret til at udføre to funktioner separat. I tilfælde af D en meget effektiv enzym-generalist med mutationer dup13-15, D10G, G102A, G11D, G44E blev dannet. Blå Rhombus genetiske varianter, der var unikke i deres befolkning, blev vist på nogle stadier af evolutionen, gul – dem med hvilke andre genvarianter altid er til stede HISA. Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

Eksperimentet viste således klart, at scenariet "innovation – amplifikation – divergens" er ret realistisk. Det er muligt, at mange nye gener i løbet af evolutionen opstod på denne måde. Men måske den mest slående ting i denne artikel er dens rolige tone og en lidt kedelig stil, som om man understreger, at reproduktion af grundlæggende evolutionære begivenheder i et testrør allerede bliver rutinemæssig motion for biologer.

Kilde: Joakim Näsvall, Lei Sun, John R. Roth, Dan I. Andersson. Real-time Evolution of New Genes ved innovation, forstærkning og divergens // Videnskab. 2012. V. 338. s. 384-387.

Se også:
Multifunktionelle gener – grundlaget for evolutionære innovationer, "Elements", 06/30/2008.

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