Передбачуваний зростання пристосованості досягається непередбачуваними шляхами • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Еволюція, Генетика

Передбачуваний зростання пристосованості досягається непередбачуваними шляхами

Мал. 1. Схема експерименту. З єдиною предковой гаплоидной клітини (DivAnc) Отримали 432 лінії, які розвивалися в однакових умовах, але при різній чисельності популяції протягом 240 поколінь (фаза диверсифікації, Diversification). З цих ліній були відібрані 64 "засновника" (Founder). Від кожного засновника отримали по 10 піддослідних ліній, кожна з яких ще 500 поколінь пристосовувалася до тих же умов при однаковій (високої) чисельності популяції (фаза адаптації, Adaptation). Відтінками зеленого кольору показана пристосованість (чим темніше, тим вище). Малюнок з додаткових матеріалів до обговорюваної статті вScience

Американські біологи провели еволюційний експеримент, в ході якого 640 ліній дріжджів, що походять від 64 генетично розрізняються клітин-засновників, пристосовувалися до одних і тих же умов протягом 500 поколінь. Зростання пристосованості в піддослідних лініях йшов тим швидше, чим нижче була вихідна пристосованість засновника. В результаті до кінця експерименту відмінності по пристосованості згладилися. Набори корисних мутацій, що закріпилися в різних лініях, що не залежали від початкового генотипу і виявилися різними на нуклеотидном рівні, хоча багато хто з них торкнулися одні і ті ж гени.Дослідження не виявило специфічних взаємодій між мутаціями, але показало, що корисність однієї і тієї ж мутації убуває з ростом загальної пристосованості генотипу.

Один з найважливіших питань еволюційної біології – питання про співвідношення випадковості і закономірності в адаптивної еволюції. Мутації здебільшого випадкові, але те, які з них закріпляться, а які відсіється, залежить від їх впливу на пристосованість (ефективність розмноження). Наприклад, якщо існує лише одна-єдина мутація, здатна підвищити пристосованість даного генотипу до даних умов середовища, то процес адаптації буде цілком передбачуваний, незважаючи на випадковий характер мутагенезу. Всі мутації відсіюватимуться до тих пір, поки не відбудеться та сама, єдина, яку відбір підтримає.

Якщо ж потенційно корисних мутацій багато, то на перший план виходить питання про Епістаз (див. Epistasis), тобто про те, як ці мутації один з одним взаємодіють. Хід адаптивної еволюції буде визначатися тим, як впливають закріпилися раніше мутації на корисність тих, що ще не з'явилися.

Якщо епистаз відсутня (тобто ефекти мутацій не залежать одне від одного),то корисні мутації будуть закріплюватися в довільному порядку, і хід адаптації буде в значній мірі випадковий. Сильний епистаз обмежує число дозволених еволюційних траєкторій і робить адаптивну еволюцію більш передбачуваною і більш залежною від початкових умов, тобто від того, які мутації виникнуть першими (докладніше див. У новинах Шляхи еволюції визначені на молекулярному рівні, "Елементи", 12.04.2006 і розширення білкової всесвіту триває, "Елементи", 24.05.2010).

Елементи вже розповідали про еволюційні експериментах, які показали важливу роль епістазу в адаптивної еволюції бактерій (Паралельна еволюція вивчена в експерименті на бактеріях, "Елементи", 01.02.2012; В довгостроковому еволюційному експерименті виявлено відбір на "еволюційну перспективність", "Елементи", 25.03. 2011). Американські біологи, які опублікували результати своїх досліджень в свіжому випуску журналу Science, Провели аналогічний експеримент на дріжджах і отримали результати, багато в чому відрізняються від тих, що були отримані раніше на бактеріях.

В експерименті використовувалися одностатеві, гаплоїдні дріжджі, які не здатні до статевого процесу (див. Mating of yeast).Правда, деякі піддослідні лінії примудрялися обійти поставлені перед ними перешкоди, міняли підлогу, починали паруватися і переходили в диплоидное стан (див. Нижче). Пристосованість дріжджів вимірювали в конкурентних тестах, змушуючи їх розмножуватися на перегонки в змішаній культурі з міченим контрольним штамом.

Експеримент складався з двох етапів (рис. 1). На першому етапі ( "диверсифікація") 432 лінії, отримані з єдиною предковой гаплоидной клітини, жили в стандартній багатому середовищі або при високій, або при низькій чисельності популяції протягом 240 поколінь (на добу змінювалося по 10 поколінь). Автори хотіли отримати набір ліній, сильно розрізняються по пристосованості. Вони виходили з припущення, що в маленьких популяціях через генетичне дрейфу будуть частіше фіксуватися слабовредние мутації, а в великих популяціях, де дрейф слабкіше, а відбір ефективніше, шкідливих мутацій накопичиться менше, а корисних – більше. Їх очікування в цілому підтвердилися, і до кінця фази диверсифікації вони отримали набір ліній, сильно розрізняються по пристосованості. З цих ліній вони вибрали 64 клітини "засновника", причому вибірка створювалася таким чином, щоб покрити весь спектр варіабельності по пристосованості.Геноми засновників відрізнялися від генома предковой клітини в середньому 4,2 мутаціями, які закріпилися за час диверсифікації. Набори мутацій у всіх засновників були різні. Це дозволило авторам оцінити вплив "генетичного контексту" на подальший хід еволюції.

Другий етап експерименту ( "адаптація") полягав у тому, що від кожного засновника справили по 10 ліній, після чого всі 640 одержані ліній незалежно один від одного продовжували пристосовуватися до тих же самим умовам протягом 500 поколінь. Чисельність тепер у всіх популяцій була однакова (висока). Періодично частина кожної популяції заморожували при -80 ° C, створюючи таким чином "живу викопну літопис" експерименту.

Все це було придумано для того, щоб оцінити, з одного боку, стохастичность еволюційного процесу, з іншого – вплив генетичного фону на хід адаптації. Стохастичность оцінювали, порівнюючи між собою лінії, що походять від одного і того ж засновника. Щоб оцінити вплив генетичного контексту, порівнювали лінії, що походять від різних засновників.

Пристосованість піддослідних дріжджів за 500 поколінь виросла в середньому на 6,6%.При цьому відмінності по пристосованості між лініями в значній мірі згладилися (рис. 2).

Мал. 2. Пристосованість піддослідних популяцій на початку фази адаптації (сині стовпчики), В її середині (зелені стовпчики) і в кінці (помаранчеві стовпчики). По горизонтальній осі – пристосованість, по вертикальній – кількість популяцій з такою пристосованістю. Видно, що до кінця експерименту розподіл стало більш вузьким, тобто зменшився розкид по пристосованості. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Згладжування відмінностей пояснюється тим, що лінії, що відбулися від засновників з високою початковою пристосованістю, в ході експерименту нарощували свою пристосованість повільніше, ніж лінії з початково низькою пристосованістю. Лідери пригальмували, що відстають підтягнулися, і в підсумку розкид зменшився. Таким чином, незважаючи на неоднакові стартові позиції, піддослідні популяції за 500 поколінь прийшли до схожих результатів. Можна сказати, що хід адаптивної еволюції виявився частково передбачуваним – якщо брати в розрахунок тільки пристосованість і не вдаватися в її генетичні основи.

Статистичний аналіз дозволив оцінити вплив різних чинників на швидкість росту пристосованості (рис. 3). Виявилося, що виявлені між лініями відмінності за темпами зростання пристосованості на 29% визначаються еволюційної стохастичную (тобто різноманітністю шляхів, за якими пішла адаптація різних нащадків одного і того ж засновника), на 21% – помилками вимірювань, на 50% – властивостями засновника. Причому з цих властивостей найважливішим є пристосованість: вона визначає 46% з вищезазначених 50%, і лише 4% залежать від конкретних особливостей генотипу засновника.

Мал. 3. Внесок різних факторів в відмінності за величиною приросту пристосованості після 250 поколінь адаптації (вгорі) І після 500 поколінь (внизу). Founder – засновник, Evolutionary stochasticity – еволюційна стохастичность, Measurement error – помилки вимірювань, Founder genotype – генотип засновника, Founder fitness – пристосованість засновника. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Іншими словами, зростання пристосованості в піддослідних лініях дріжджів визначався в першу чергу тим, наскільки пристосованим був засновник – незалежно від того, який саме набір мутацій забезпечив йому цю пристосованість.Нащадки добре пристосованих засновників адаптувалися повільно, нащадки погано пристосованих – швидко. Конкретний "генетичний бекграунд" надавав лише дуже невелика (хоча і статистично достовірне) вплив на швидкість адаптації.

Цей результат частково узгоджується з висновками інших еволюційних експериментів, в яких теж був показаний сповільнюється зростання пристосованості. Так, в довгостроковому еволюційному експерименті Ричарда Ленскі було помічено, що кожна закріпилася корисна мутація робить наступні генетичні удосконалення в середньому менш корисними. Це явище назвали "Епістаз спадної прибутковості" (див. Нові результати довгострокового еволюційного експерименту: пристосованість піддослідних бактерій продовжує зростати, "Елементи", 23.12.2013).

Але придумати назву – ще не означає пояснити механізм. Уповільнення зростання пристосованості може бути пов'язано з різними причинами. Наприклад, існує гіпотеза "модульного епістазу". Вона передбачає, що багато корисних мутації надлишкові в тому сенсі, що якщо одна з них вже відбулася, то інші нічого не зможуть додати до її корисного ефекту.Припустимо, організму корисно в даних умовах відключити якийсь функціональний модуль. Цього можна домогтися, вивівши з ладу той чи інший ген. Мутацій з таким ефектом може бути дуже багато. Перша мутація, відключити ген, буде корисною, і відбір її підтримає. Але якщо ген вже відключений, нові мутації, які пошкоджують його, корисними більше не будуть: вони стануть нейтральними. Те ж саме буде і в разі, якщо вигідне не відключити модуль, а посилити його роботу. Адже це теж можна зробити багатьма способами (за допомогою багатьох різних мутацій). Уповільнення зростання пристосованості може бути пов'язано з тим, що чим більше модулів вже оптимізовано, тим менше залишається можливостей щось ще поліпшити.

Інша модель ( "специфічний епистаз") передбачає, що корисність більшості мутацій сильно залежить від генетичного контексту, тому кожна нова закріпилася мутація може різко змінити шанси на фіксацію інших мутацій. В цьому випадку шлях до максимальної пристосованості стає схожий на лабіринт з безліччю розвилок і тупиків. Географія цього лабіринту може бути така, що чим далі ви забралися, тим менше у вас шансів просунутися вперед ще трохи.

Нарешті, можливий варіант "глобального епістазу", коли корисність мутацій мало залежить від конкретного генетичного контексту, але сильно залежить від загальної пристосованості організму. При цьому одна і та ж мутація принесе мало користі добре пристосованому організму, а погано пристосованому дасть великий виграш.

Якщо переважає "модульний" або "специфічний" епістаз, хід еволюції повинен сильно залежати від вихідного генотипу. В цьому випадку піддослідні лінії дріжджів, що відбулися від одного і того ж засновника, матимуть подібні набори мутацій. Якщо ж переважає глобальний епистаз, набори мутацій у нащадків одного і того ж засновника можуть відрізнятися так само сильно, як і у нащадків різних засновників.

Щоб перевірити ці припущення, автори отсеквеніровалі і порівняли повні геноми 104 піддослідних клонів, що сталися від 13 засновників. Насправді було отсеквеніровано 150 нащадків 15 засновників, але у багатьох клонів, як з'ясувалося, відбулися "несанкціоновані" еволюційні зміни, такі як фіксація алелі-мутаторів (див. Нові результати довгострокового еволюційного експерименту: пристосованість піддослідних бактерій продовжує зростати, "Елементи",23.12.2013) або відновлення здатності до статевого процесу і перехід в диплоидное стан. Такі клони були виключені з розгляду.

У решти 104 клонів виявилося в цілому 1 149 мутацій, що закріпилися на стадії адаптації. У 13 засновників на стадії диверсифікації зафіксувалося 55 мутацій. У кожній лінії, таким чином, фіксувалося приблизно по одній мутації кожні 50 поколінь – як на етапі диверсифікації, так і на етапі адаптації.

Автори виключили з розгляду синонімічні заміни і мутації в міжгенних проміжках, тому що вони, швидше за все, не мають функціонального значення. Залишилося 818 мутацій, імовірно важливих для організму. Колишні експерименти по паралельній еволюції бактерій і вірусів показали, що адаптація до однакових умов часто призводить до незалежної фіксації однакових мутацій в різних піддослідних лініях. Експеримент на дріжджах дав інші результати: всі виявлені мутації, крім чотирьох, виявилися унікальними, тобто характерними тільки для одного клону з 104.

Хоча самі мутації на нуклеотидном рівні були різними, виявилося значну схожість в наборах генів, в яких закріпилися мутації у різних клонів (як і в експериментах по паралельній еволюції бактерій).Наприклад, виявилося 24 гена, мутації в яких незалежно закріпилися в трьох або більше клонах. При випадковому розподілі це число було б на порядок менше. Очевидно, мутації в цих 24 генах часто виявлялися корисними в умовах експерименту.

Можна було б припустити, що у нащадків менш пристосованих засновників (чия пристосованість зросла сильніше) в процесі адаптації закріпилося більше функціонально важливих (і ймовірно корисних) мутацій, ніж у нащадків засновників з високою пристосованістю. Це, однак, не підтвердилося: у тих і інших число закріпилися імовірно корисних мутацій виявилося в середньому однаковим. Це узгоджується з результатами експерименту Ленскі, де число мутацій зростало з постійною швидкістю, хоча пристосованість росла з уповільненням (див. Підбито підсумки еволюційного експерименту довжиною в 40 000 поколінь, "Елементи", 02.11.2009).

Найголовніший результат автори отримали, порівнявши набори мутованих генів у клонів, що сталися від одних і тих же і від різних засновників. Виявилося, що походження від одного засновника (тобто однаковий генетичний фон) анітрохи не підвищує ймовірність виникнення мутацій в одних і тих же генах.Рівень подібності по набору мутованих генів виявився однаковим у клонів з однаковим і різним генетичним фоном. Цей результат – сильний аргумент на користь гіпотези "глобального епістазу" і проти моделей "модульного епістазу" і "специфічного епістазу".

Додаткові генно-інженерні експерименти теж підтвердили глобальний епистаз. Автори вибрали три гена, в яких у кількох клонів незалежно закріпилися мутації, які виведуть ці гени з ладу (рис. 4). Це означає, що їх відключення, швидше за все, підвищує пристосованість в даних умовах. Вчені штучно відключили ці гени у 13 засновників, у загального предка і у кількох додаткових клонів з різною пристосованістю. Виявилося, що ця процедура дійсно підвищує пристосованість, причому сила позитивного ефекту залежить від вихідної пристосованості клону. Дріжджі з початково високою пристосованістю отримують лише невеликий виграш від відключення будь-якого з трьох генів, тоді як дріжджів з низькою пристосованістю воно приносить помітно більше користі.

Мал. 4. Корисний ефект однієї і тієї ж мутації убуває з ростом загальної пристосованості генотипу, в якому ця мутація відбулася.Показано вплив видалення одного з трьох генів (gat2, whi2, sfl1) На пристосованість різних клонів дріжджів в залежності від вихідної пристосованості цих клонів. За вертикальної осі – зміна пристосованості (в%) після видалення гена, по горизонтальній осі – вихідна пристосованість клону. видалення гена ho (сірі значки), Яке не впливає на пристосованість, використовувалося в якості контролю. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Таким чином, дослідження показало, що глобальний епистаз грає в адаптивної еволюції дріжджів важливу роль. Чим вище пристосованість, тим менше користі приносять нові корисні мутації, причому цей ефект практично не залежить від конкретного генетичного контексту. Корисність мутацій залежить тільки від загальної пристосованості, але не від того, якими генетичними особливостями ця пристосованість обумовлена. Причини і механізми, що забезпечують глобальний епистаз у дріжджів, поки невідомі: для їх виявлення потрібні додаткові дослідження.

Немає поки і відповіді на питання, чому специфічний епистаз – взаємний вплив мутацій, яскраво проявилося в експериментах на бактеріях, – у дріжджів виявити не вдалося.Можливо, це якось пов'язано з фундаментальними відмінностями геномної архітектури прокаріотів і еукаріот (про ці відмінності докладно розказано в книзі Євгенія Куніна "Логіка випадку"). Для прокаріотів характерні величезні популяції, що підвищує ефективність очищає відбору. Можливо, тому геноми прокаріотів оптимізовані і компактні, в них мало "генетичного сміття", але мало і ступенів свободи для еволюційних перетворень; окремі функціональні блоки спадкової інформації занадто щільно підігнані одна до одної – в тому числі з-за зчепленого успадкування, що породжується відсутністю справжнього статевого процесу і відносною рідкістю горизонтального обміну генами між організмами. Еукаріоти, навіть одноклітинні, в середньому набагато більші прокариот, тому популяції у них менше, а очищающий відбір не настільки ефективний. Тому структура геномів у них більш "пухка", в них багато не кодують ділянок і різних егоїстичних елементів. До того ж алелі постійно перемішуються в ході статевого розмноження і тому не так сильно "прітерти" один до одного. Одним з проявів цих загальних властивостей еукаріотичних геномів може бути послаблення залежності корисності мутацій від конкретного генетичного контексту.Втім, у нас поки що надто мало даних по генетичним основам адаптивної еволюції еукаріот, щоб робити глобальні висновки.

джерело: Sergey Kryazhimskiy, Daniel P. Rice, Elizabeth R. Jerison, Michael M. Desai. Global epistasis makes adaptation predictable despite sequence-level stochasticity // Science. 2014. V. 344. P. 1519-1522.

Див. Також про "Епістаз спадної прибутковості" і сповільнюється зростання пристосованості:
1) Підбито підсумки еволюційного експерименту довжиною в 40 000 поколінь, "Елементи", 02.11.2009.
2) Нові результати довгострокового еволюційного експерименту: пристосованість піддослідних бактерій продовжує зростати, "Елементи", 23.12.2013.

Про роль "специфічного епістазу" (впливу конкретного геномного контексту на корисність мутацій):
1) Паралельна еволюція вивчена в експерименті на бактеріях, "Елементи", 01.02.2012.
2) Шляхи еволюції визначені на молекулярному рівні, "Елементи", 12.04.2006.
3) Розширення білкової всесвіту триває, "Елементи", 24.05.2010.
4) У довгостроковому еволюційному експерименті виявлено відбір на "еволюційну перспективність", "Елементи", 25.03.2011.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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