Metoder til tilpasning af bakterier til forskellige temperaturer viste sig at være forudsigelige • Sergey Lysenkov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Evolution, Mikrobiologi, Genetik

Tilpasningen af ​​bakterier til forskellige temperaturer var forudsigelig.

Fig. 1. Kolonierne Escherichia coli i en petriskål på medium fra agar indeholdende arabinose. pink – i stand til at behandle arabinose (Ara+), rød – ikke i stand (Ara). Foto fra telliamedrevisited.wordpress.com

Teamet Richard Lensky, en evolutionær mikrobiolog, kendt for sit langsigtede evolutionære forsøg, undersøgte de genetiske forskelle (akkumulerede mutationer) mellem bakteriepopulationer, der havde tilpasset sig til fem forskellige temperaturregimer i 2000 generationer. På trods af mangfoldigheden af ​​mulige tilpasningsformer viste de fleste mutationer sig at være specifikke, det vil sige de forekom hos dem og kun de populationer, der udviklede sig under samme eller lignende temperaturregimer. Imidlertid blev de fleste af disse mutationer senere forankret i det igangværende langsigtede evolutionære eksperiment. Tilsyneladende ved forskellige temperaturer er forskellige mutationer mere nyttige end andre (men sjældent fra nyttige bliver skadelige) – og naturligt udvalg virker med disse forskelle i relativ nytte og fastsætter tidligere mutationer, der viste sig at være gunstigere under disse forhold.

"Elements" har gentagne gange fortalt om arbejdet i laboratoriet af Richard Lenski (Richard Lenski), som har været involveret i eksperimentelle studier af bakteriens udvikling i mange årtier.Disse undersøgelser ikke kun give en bedre forståelse af mønstre af tilpasning af disse organismer til miljøet (som kan have praktisk værdi, at tage mindst en resistens over for antibiotika), men også give mulighed for at se de trivielle evolutionære processer og deres resultater, hvilket er vigtigt for grundlæggende videnskab (se. tidlige stadier af tilpasning forudsigelig senere – tilfældige "elementer", 03.03.2015, og på lang evolutionære eksperiment afslørede udvælgelsen af ​​de "evolutionære perspektiver", "elementer", 25.03.2011; resultater evolyutsionnog om eksperimentet med en længde på 40.000 generationer, "Elements", 11/01/2009).

Men bortset fra det velkendte langsigtede evolutionære eksperiment (DEE) (se E. coli Langsigtet Eksperimentel Evolution Project), holder i øjeblikket allerede 50 000 generationer, holdet af Richard Lenski og bruger mere end kortsigtede undersøgelser, som er de "lagdeling" af de vigtigste eksperiment.

I det nye arbejde studerede forskere det genetiske grundlag for tilpasningen af ​​Escherichia coli Escherichia coli til forskellige temperaturer over 2000 generationer i flere dusin linjer. I denne situation kan man forvente en divergens på grund af stokastiske processer – forekomsten af ​​mutationer og genetisk drift (seGenetisk drift) – og parallell evolution, når forskellige linjer ville erhverve lignende tilpasninger i samme miljø. I hvert fald for komplekse dyr, hvor individuel udvikling betydeligt komplicerer vejen fra genotype til fænotype, er disse to muligheder ikke nødvendigvis modstridende hinanden: den samme tilpasning kan forekomme på forskellig genetisk basis. Denne mangfoldighed af tilladte resultater (vi lægger vægt på, at hver af dem er mulig) er forbundet og har længe været spændende forskere om forudsigeligheden af ​​evolutionen – eller snarere er spørgsmålet på hvilket niveau vi kan forudsige, hvordan en bestemt befolkning vil tilpasse sig den ændrede en eller anden måde. miljø (se DL Stern, V. Orgogozo, 2009. Er genetisk udvikling forudsigelig?).

I eksperimentet udviklede 30 separate linjer af E. coli, taget fra et langtidsforsøg, over 2000 generationer ved fem forskellige temperaturregimer, seks linjer hver. Nogle af bakterierne blev dyrket ved den optimale 37 ° C (jeg minder dig om, at disse bakterier normalt befinder sig i tarmene af varmblodede dyr) og "tolerant" 32 ° C og nogle – ved ekstrem kulde (20 ° C) og varme (42 ° C) placeret på tolerancezoneens nedre og øvre grænse (se. Reaktion af kroppen til ændringer i miljøfaktorer).Derudover inkluderede en anden ordning afvekslingen af ​​moderate og ekstreme forhold – temperaturen varierede mellem 32 ° C og 42 ° C. Detaljer af eksperimentet er vist i fig. 2A.

Fig. 2. Genomiske ændringer i E. coli Escherichia coliudviklet under forskellige temperaturforhold. En – Eksperimentets generelle plan. linje E. coli REL1206 blev isoleret fra et langsigtet evolutionært eksperiment efter 2000 generations evolution ved 37 ° C. I det viste forsøg udviklede seks populationer over 2000 generationer ved fem forskellige temperaturforhold. Tre populationer i hver af de fem oplevelsesvarianter begyndte med klon REL1206, der ikke kunne behandle arabinose (betegnet som -1, -2, -3) og tre fra klon REL1207 i stand til dette (+1, +2, +3). Disse kloner varierede ved en enkelt nukleotid substitution, som ikke påvirker deres egnethed. den – Fordeling af alle 159 mutationer opnået under eksperimentet af populationer og typer af genetiske ændringer. Figur fra den diskuterede artikel i PNAS

Alle bakteriepopulationerne i løbet af eksperimentet øgede væksten, det vil sige deres tilpasning til miljøet steg. Desuden var sædvanligvis udviklede bakterier mere succesfulde end forfædre, ikke kun i det miljø, hvor de blev dyrket, men også på andre.Men det skete ikke altid – for eksempel voksede befolkninger på 20, 32 og 37 graders medier ved 42 ° C værre end deres forfædre. Disse resultater blev imidlertid offentliggjort for længe siden (se A. F. Bennett, R. E. Lenski, J. E. Mittler, 1992. Evolutionær tilpasning til temperatur. I. Fitnessresponser af Escherichia coli til ændringer i dets termiske miljø J. A. Mongold, A. F. Bennett, R. E. Lenski, 1996. Evolutionær tilpasning til temperatur. IV. Tilpasning af Escherichia coli på en niche grænse). Og i det seneste arbejde forstod forfatterne den genetiske "underside" af temperaturtilpasninger. For at gøre dette, fuldstændig otsevesenirovan DNA fra medlemmer af hver population fra den endelige 2000-generation.

I alt for hele eksperimentet akkumulerede alle de studerede linjer 159 mutationer (husk at eksperimentet bruger befolkningen E. coli, opdræt aseksuelt, derfor studeres evolutionære processer ved akkumulering af mutationer), og hver enkelt linje har akkumuleret fra to til otte mutationer – interessant, kun en af ​​disse "ekstreme" populationer voksede ikke optimalt 37 grader, men med en "moderat" 32- x. Men i gennemsnit er antallet af mutationer akkumuleret af 37-graders bakterier signifikant mindre end for alle de andre (men kun hvis vi betragter dem alle sammen, når parvis sammenligner eksperimentelle varianter, viser forskellene i antallet af akkumulerede mutationer sig at være ubetydelige – muligvis på grund af det lille antal populationer i hver fra oplevelsesmuligheder).Sådanne resultater forventes ganske vist – i virkeligheden voksede bakterierne til en temperatur, der var optimal for dem, hvorudover de fælles forfædre af eksperimentelle linjer udviklede sig i yderligere 2000 generationer (figur 2A). Således var bakterierne allerede i høj grad tilpasset disse forhold, og de blev ramt snarere af en rensende selektion – screeningsmutationer, der ødelægger allerede eksisterende tilpasninger – end kørsel, hvilket resulterede i dannelsen af ​​nye enheder. De påviste mutationer var af forskellige typer: de var synonyme og ikke-synonyme nukleotidsubstitutioner (se Mutationer: nukleotidsubstitutioner: typer), deletioner (tab af DNA-segmenter) osv. Deres fordeling efter type og individuelle populationer er vist i figur 2B. Tre af de påviste mutationer kan føre til hyperstabilitet – en øget mutationshastighed. Sådanne mutationer erhverves ofte i evolutionære forsøg på bakterier, da de øger chancerne for fremkomsten af ​​gunstige mutationer. I dette tilfælde viste populationerne, der bærer potentielle mutatorgener, imidlertid ikke noget signifikant overskud af antallet af mutationer opnået over det forventede.

Derefter vurderede forskerne ligheden mellem mutationer, der optrådte i forskellige populationer, ved at beregne Dyce-lighedskoefficienten, også kendt som Sörensen-koefficienten (S = 2 (X∩Y) / (X + Y), hvor X og Y er antallet af muterede gener i det første og andet gruppe og XYY – antallet af gener muteret i begge grupper). I dette tilfælde blev kun de mutationer, der kunne nøjagtigt tilskrives et bestemt gen, taget i betragtning (for eksempel blev alle store sletninger ikke taget i betragtning). For det første viste lighedskoefficienten for populationerne inden for hver variant af eksperimentet sig at være signifikant højere end mellem forskellige varianter: 0,168 versus 0,042. På samme tid var kun forskellen mellem linjen dyrket ved 42 ° C og dyrket ved en variabel temperatur (stat 3A) statistisk ubetydelig. For det andet var det muligt at identificere specifikke mutationer, der er signifikant hyppigere (og undertiden endog unikke) for et bestemt temperaturregime. I alt var der fire af dem – kun variabel temperaturregimet havde ikke et specifikt gen (figur 3B).

Fig. 3. En – en ordning med lighed i sammensætningen af ​​mutationer erhvervet af bakterier ved forskellige temperaturer. interesse I nærheden af ​​navnet på varianten af ​​eksperimentet vises Dies-koefficienten for alle seks populationer, der deltager i det. interesse nær forbindelsesmulighederne for oplevelseslinierne viser Dies-koefficienten for sammenligning af de to temperaturregimer. Kun forskelle mellem populationer, der udviklede sig ved 42 ° C og under variable betingelser (vekslende temperaturer på 32 ° C og 42 ° C) viste sig at være ubetydelige. den – gener, der muterede mindst to gange i alle tredive forsøgspopulationer Fem gener markeret farvede firkanter, er signifikant mere almindelige inden for en eller to linjer sammenlignet med antagelsen om, at de blev fordelt mellem befolkninger ved en tilfældighed. Figur fra den diskuterede artikel i PNAS

Men tilsyneladende er tilpasninger ikke reduceret til disse fire mutationer. Da nogle af de andre muterede gener også viser en tendens til at aggregeres i en af ​​varianterne af eksperimentet. Interessant nok er alle gener, der er "specifikke" og mistænkt for dette, tilhørende flere funktionelle grupper: de påvirker størrelsen og formen af ​​cellerne (mrdA, hslU) regulere metabolske veje i forbindelse med forarbejdning af næringsstoffer (Nadr, iclR) og ændre aktiviteten af ​​metabolisk enzym (gltB) (se fig. 3B). Også blandt de "kolde" populationer er der en tendens til at mutere de gener, der er forbundet med transkription og translation.Således har vi et typisk eksempel på en kompleks tilpasning, der involverer forskellige mekanismer – og derfor potentielt multivariate. Heldigvis gør moderne molekylære genetiske metoder det muligt at isolere individuelle gener og træk, der er involveret i tilpasning til en eller anden miljøfaktor. Selv om adskillige årtier siden troede næsten alle evolutionister, at det var umuligt at fjerne denne tangle og de nøjagtige mekanismer ved sådanne komplekse tilpasninger er uvidende. . Faktisk kan du kun sige noget som: "I svaret på udvælgelsen involveres mange gener i hver befolkning – deres egne." Nu kan vi se, hvilke gener det er. Og det viser sig, at i det mindste i nogle tilfælde er dette sæt gener involveret i tilpasning reproducerbar.

Interessante resultater blev opnået ved at sammenligne det beskrevne eksperiment med et fortsat langsigtet evolutionært eksperiment. Det viste sig, at bakterier fra DEE over tid akkumulerer mutationer i de samme gener som de tilpasser sig forskellige temperaturer! På den ene side behøver de ikke kun at tilpasse sig temperaturen – for eksempel er der ikke nok glukose i miljøet i begge forsøg.På den anden side, hvor er specificiteten af ​​tilpasninger? Ja, linjen dyrket ved 37 ° C viser den største lighed med DEE, der flyder ved samme temperatur – men de andre får også mutationer, som senere viser sig at være nyttige ved andre temperaturer (figur 4).

Fig. 4. De gener, der tjente som mål for udvælgelse under temperaturtilpasningsforsøget, akkumulerede ofte mutationer under det langsigtede evolutionære eksperiment (DEE) ved 37 ° C. Grafen viser, hvordan der i løbet af et langsigtet eksperiment (kloner sekventeret for 5.000, 10.000 og 20.000 generationer, bakterier til temperaturerfaring blev taget fra 2.000 generation), blev rekapitulationsindekset ændret, hvilket antal gener mode, "re" muteret og under DEE. Som det var forventet, viste erfaringen fra 37 ° C den største lighed med DEE, men ved den 20.000. generation forsvandt forskellen, hvilket indikerer, at mutationer, der forekom ved forskellige temperaturforhold, også er nyttige ved den optimale temperatur (husk at bortset fra temperatur var miljøet det samme i alle varianter).Figur fra den diskuterede artikel i PNAS

Forfatterne forklarer dette paradoks ved, at forskellige temperaturregimer ændrer den relative værdi af forskellige mutationer, men sjældent gør en nyttig mutation skadelig – det er for eksempel en mutation, der er blevet fikset i de "kolde" linjer, gunstigere under forhold med lave temperaturer end under optimale forhold. hvilket øger hendes chance for en tidligere konsolidering. Dette understøttes af en direkte vurdering af den adaptive værdi af individuelle mutationer. Forskerne introducerede dem i forfædrede bakteriers genom og så på, hvordan disse modificerede organismer føler sig ved forskellige temperaturer. Ingen af ​​mutationerne afslørede signifikante forskelle i den positive virkning på væksthastigheden under forskellige temperaturforhold, selvom parvise sammenligninger afslørede en svag tendens til, at mutationen var mere gunstig i varianten af ​​eksperimentet, hvor den stammede fra. Dette bekræfter forfatterens fortolkning: Med en temperaturændring forbliver alle forankrede mutationer gunstige, men deres relative nytteændringer ændrer sig og det naturlige valg virker sammen med dem. De, der viste sig at være gunstigere under disse betingelser, er fastgjort tidligere.

Denne undersøgelse gør det muligt at understrege endnu engang, at udviklingen kan finde sted på bekostning af tilsyneladende svage, næppe mærkbare forskelle. Ikke tilstedeværelsen af ​​effektive og ineffektive måder, men små forskelle i effektiviteten af ​​visse enheder ved forskellige temperaturer ændrer sandsynligheden for deres konsolidering ved naturlig udvælgelse, hvilket fører til forskellige måder at udvikle sig på.

I slutningen af ​​artiklen understreger forfatterne, at deres resultater med udgangspunkt i de mange muligheder for tilpasning viser en uventet høj forudsigelighed for evolutionen. Og de tyder på, at tilstedeværelsen af ​​sådanne specifikke spor af tilpasning til specifikke miljøforhold kan hjælpe for eksempel ved at dechifrere patogene mikrobes evolutionære historie, spore overgangshistorien mellem forskellige arter eller endda værtsindivider (som vil hjælpe med at spore sygdommens dynamik) såvel som i retsmedicinsk mikrobiologi, hjælper med at klarlægge dødsbetingelserne eller bevægelser af individuelle objekter (se RE Lenski, P. Keim, 2005. Befolkningsgenetik af bakterier i retsmedicinsk sammenhæng).

Kilde: Daniel E. Deatherage, Jamie L. Kepner, Albert F. Bennett, Richard E. Lenski og Jeffrey E. Barrick. Specificitet af genomudvikling i eksperimentelle populationer af Escherichia coli udviklet sig ved forskellige temperaturer // Forsøg af National Academy of Sciences. 2017. V. 114. №10. P. 1904-1912. DOI: 10.1073 / pnas.1616132114.

Sergey Lysenkov


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