Статеве розмноження допомагає відбору відокремлювати корисні мутації від шкідливих • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Еволюція, Генетика

Статеве розмноження допомагає відбору відокремлювати корисні мутації від шкідливих

Парування дріжджів: дві гаплоїдні клітини, що належать до різних статей (a і α), Зливаються в одну диплоїдну. Малюнок з сайту schaechter.asmblog.org

Ідея про те, що статеве розмноження прискорює адаптацію, неодноразово підтверджувалася експериментально. Крім того, вона має вагомі теоретичні обгрунтування. До сих пір, однак, хід еволюційних змін генома в безстатевих і статевих популяціях не порівнювати безпосередньо. Американські біологи придумали методику і створили генно-модифіковані штами дріжджів, завдяки яким цю технічно складну задачу вдалося вирішити. Виявилося, що при однаковому темпі мутації в статевих популяціях за 1000 поколінь закріплюється в 5 разів менше мутацій, ніж в безстатевих популяціях такої ж чисельності. Серед мутацій, що закріпилися в безстатевих популяціях, зустрічаються шкідливі, тоді як в статевих популяціях закріплюються тільки корисні мутації. Ці результати підтверджують класичні уявлення про те, що статеве розмноження прискорює адаптацію, допомагаючи відбору відокремлювати корисні мутації від шкідливих. У безстатевої популяції відбиратися можуть тільки цілі геноми, тому кожна нова корисна мутація нерозривно пов'язана зі своїм "генетичним фоном" і може поширюватися лише разом з ним.

Статеве розмноження дуже широко поширене в природі не дивлячись на те, що в порівнянні з безстатевим воно вимагає великих додаткових витрат (див .: Досліди на хробаків довели, що самці – річ корисна, "Елементи", 23.10.2009). Це означає, що статеве розмноження дає якісь важливі переваги, але ось які? Відповідь на це питання не так очевидний, як може здатися на перший погляд (див .: A. S. Kondrashov, 1993. Classification of Hypotheses on the Advantage of Amphimixis).

Численні факти, в тому числі отримані в ході еволюційних експериментів, говорять про те, що статеве розмноження прискорює адаптацію до мінливих умов (див. Посилання в кінці новини). Цей ефект імовірно пов'язаний з тим, що статеве розмноження підвищує ефективність закріплення відбором корисних мутацій і відбраковування шкідливих. При статевому розмноженні геноми особин постійно змішуються і перемішуються, а генетичні варіанти (алелі) виявляються весь час в різних компаніях. Це дозволяє відбору працювати з корисними і шкідливими мутаціями окремо, закріплюючи перші і отбраковивая другі. Наприклад, якщо корисна мутація виникла в геномі особини, у якої в іншому гені є шкідлива мутація, то в ході статевого розмноження частина нащадків успадкує тільки корисну мутацію.Вони-то і будуть підтримані відбором. Крім того, при статевому розмноженні корисні мутації, що виникли в різних генах у різних особин, можуть об'єднуватися в одному геномі.

При безстатевому (клональний) розмноженні відбір може працювати тільки з цілими геномами. Тому корисна мутація може закріпитися лише разом з усім своїм "генетичним фоном", включаючи всі шкідливі мутації, які є в даному геномі. Іншими словами, в безстатевої популяції багато шкідливі мутації повинні закріплюватися, поширюючись за рахунок корисних мутацій, що знаходяться в інших місцях того ж генома. Це називають "генетичним автостопом" (див. Genetic hitchhiking).

Крім того, в безстатевої популяції корисні мутації, що виникли в різних генах у різних особин, не можуть об'єднатися. Замість цього їх носії починають конкурувати і витісняти один одного, що веде до безповоротної втрати більшості корисних мутацій, що виникають в популяції. Це називають конкуренцією клонів, або клональной інтерференцією (див .: Ранні етапи адаптації передбачувані, пізні – випадкові, "Елементи", 03.03.2015; Нові результати довгострокового еволюційного експерименту: пристосованість піддослідних бактерій продовжує зростати, "Елементи", 23.12.2013).

Таким чином, з одного боку у нас є експериментальні дані, що показують, що статеве розмноження прискорює адаптацію, з іншого – правдоподібні теоретичні пояснення цього ефекту. Бракує лише прямих молекулярно-генетичних підтверджень того, що прискорення адаптації в статевих популяціях в порівнянні з безстатевими дійсно відноситься до теоретично передбаченими механізмами, такими як генетичний автостоп і клональная інтерференція. Щоб отримати такі підтвердження, потрібно не тільки створити "правильні" піддослідні популяції, що не відрізняються один від одного нічим, крім наявності або відсутності статевого розмноження, а й простежити за змінами їх геномів в ході еволюції.

Саме це і зробили біологи з Гарвардського університету (США), чия стаття опублікована 24 лютого на сайті журналу Nature.

Автори провели еволюційний експеримент на спеціально виготовлених для цієї мети генетично модифікованих штамах пекарських дріжджів Saccharomyces cerevisiae. В основному експерименті брало участь 18 піддослідних популяцій: 12 "безстатевих", які розмножувалися тільки брунькуванням (митозом) і 6 "статевих",які теж більшу частину часу розмножувалися брунькуванням, але після кожних 90 безстатевих поколінь їх змушували спаровуватися і виробляти потомство статевим шляхом. Все популяції пристосовувалися до життя в одних і тих же умовах протягом 100 днів (приблизно 1000 поколінь).

Життєвий цикл дріжджів зображений на рис. 1. Гаплоїдні клітини діляться на дві статі: а і α. Вони можуть розмножуватися брунькуванням, а можуть злитися в зиготу і перетворитися в диплоїдну клітку. Диплоїдні дріжджі теж можуть розмножуватися брунькуванням, а можуть перейти до споруляции і в результаті мейозу перетворитися в чотири гаплоїдні спори, дві з яких будуть належати до підлоги a, А дві – до α.

Мал. 1. Життєвий цикл дріжджів Saccharomyces cerevisiae. Зображення з сайту wikimedia.org

В ході експерименту клітини безстатевих популяцій завжди знаходилися в гаплоидной фазі і розмножувалися виключно брунькуванням. Щоб вони не злучалися, кожна популяція складалася з клітин тільки однієї статі (шість популяцій a і шість α).

Кожна статева популяція складалася з двох різностатевих половинок, які містилися окремо протягом 90 поколінь, а потім змішувалися і містилися в умови, що стимулюють статевий процес.Після цього відбиралися диплоїдні клітини, що виникли в результаті спарювання, і містилися в умови, що сприяють споруляции. Потім відбраковувалися диплоїдні клітини, які не захотіли перетворюватися в суперечки, а гаплоїдні клітини, отримані з суперечка, поділялися за статевою ознакою і знову містилися окремо протягом наступних 90 поколінь.

Щоб зробити всі ці маніпуляції, потрібно мати можливість швидко і ефективно відокремлювати диплоїдні клітини від гаплоидних, а також підлогу a від статі α. Для цього в геноми піддослідних дріжджів були внесені генетичні модифікації. Зокрема, були додані гени стійкості до двох антибіотиків, причому зробили це так, щоб клітини а виявилися стійкими тільки до першого антибіотика, клітини α – тільки до другого, а диплоїдні клітини – до обох. Завдяки іншим модифікаціям тільки гаплоїдні клітини статі a вміли синтезувати гістидин, тільки гаплоїдні клітини статі α могли виробляти лейцин, а синтез урацила могли здійснювати гаплоїдні клітини обох статей, але не диплоїдні. В результаті автори отримали можливість швидко відбирати потрібні клітини і контролювати чистоту досвіду, поперемінно використовуючи поживні середовища,містять (або не містять) урацил, гістидин, лейцин і два антибіотики в різних комбінаціях.

Умови утримання безстатевих і статевих популяцій зробили настільки однаковими, наскільки це було можливо. Все популяції були однаковою чисельності (близько 100 000 особин), містилися в однакових ємностях, при однаковій температурі і на однаковій живильному середовищі (YEPD). Що стосується тих маніпуляцій, які проводилися з статевими популяціями, щоб спонукати їх до статевого процесу і споруляции, то деякі з них проводилися також і з безстатевими, а вплив інших було перевірено в серії додаткових експериментів, які показали, що ці маніпуляції самі по собі не позначаються на ході еволюції. Були також проведені додаткові еволюційні експерименти, в яких безстатеві популяції теж складалися з двох половинок, що містилися окремо протягом 90 поколінь, а потім змішують (але тільки обидві половинки були однієї статі). Ці теж не вплинуло на результати.

Після 1000 поколінь була виміряна пристосованість піддослідних популяцій до тих умов, в яких вони еволюціонували.Для цього вихідний (предковий) штам, позначений флюоресцентной міткою, змішували в рівній пропорції з тестованим штамом і вирощували протягом 30 поколінь в тих же умовах, в яких проходив основний експеримент, а потім підраховували частку мічених клітин. Чим вона менша, тим вище пристосованість тестованого штаму. Виявилося, що статеві популяції адаптувалися краще безстатевих: у перших пристосованість зросла на 10-15%, у другому – лише на 5-10%. Таким чином, в черговий раз підтвердився висновок про те, що статеве розмноження прискорює адаптацію.

Щоб розібратися в молекулярних механізмах адаптації, автори використовували повногеномне секвенування. Через кожні 90 поколінь секвенований вибірки з чотирьох статевих і чотирьох безстатевих популяцій. Оскільки ДНК в кожній пробі відбувалася не з однієї, а з безлічі клітин і використовувався потужний секвенатор Illumina HiSeq 2500, ця процедура дозволила виявити багато мутації, що виникали в популяціях в ході еволюційного експерименту, а також простежити зміни частоти їх зустрічальності згодом. Ідентифікація рідкісних мутацій загрожує помилками, тому автори для надійності зосередилися тільки на мутаціях, частота яких в даній популяції досягала 10% хоча б в два моменти часу.Таким чином, мутації, які не отримали помітного поширення, були проігноровані.

Набори мутацій, які в підсумку були зареєстровані як "з'явилися" в ході експерименту, були зіставлені з мутаціями, які до кінця експерименту зафіксувалися, тобто були вже у всіх клітин в даній популяції (рис. 2).

Мал. 2. Число всіх з'явилися мутацій (All) і тих з них, які до кінця експерименту зафіксувалися, тобто зустрічалися у всіх клітин в даній популяції (Fixed). Підсумовані дані по чотирьох безстатевим (Asexual) і чотирьом статевим (Sexual) популяціям. бузковим цвітом позначені мутації в міжгенних ділянках (intergenic), жовтим – синонімічні (synonymous), синім – несинонимичной (nonsynonymous). Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Виявилося, що у всіх популяціях, як безстатевих, так і статевих, з'явилося приблизно порівну нових мутацій (в середньому 44 на популяцію). Крім того, серед зареєстрованих мутацій всюди було приблизно однакове співвідношення несинонимичной (значущих, змінюють амінокислоту в білку), синонімічних (які не змінюють білок) і міжгенних (розташованих в некодуючих областях геному). Це означає, що процес мутагенезу вирізнявся в двох варіантах досліду.

Однак кількість і склад Державтоінспекції зафіксовано мутацій виявився абсолютно різним в безстатевих і статевих популяціях. У першому випадку зафіксувалося більшість (78%) зареєстрованих мутацій, в тому числі 79% несинонимичной, 74% синонімічних і 78% міжгенних. Іншими словами, зафіксувалися приблизно рівні частки мутацій всіх трьох типів. У статевих популяціях все було по-іншому. По-перше, зафіксувалося набагато менше мутацій (16% від загального числа зареєстрованих), по-друге, зафіксувалися в основному значущі мутації (22% від числа що виникли), синонімічні не зафіксовано зовсім (0%), а міжгенних закріпилося лише 11% ( рис. 2).

Цей результат добре узгоджується з ідеєю про те, що в статевих популяціях фіксуються тільки корисні мутації (серед яких найбільше значущих, але є і міжгенних, що знаходяться в регуляторних ділянках генома). Синонімічні мутації зазвичай нейтральні, і тому в статевих популяціях вони не фіксувалися. У безстатевих же популяціях разом з нечисленними корисними мутаціями фіксувався весь їх "генетичний фон", включаючи шкідливі і нейтральні мутації, які опинилися в одному геномі з корисною.Зрозуміло, для цього необхідно, щоб ефект корисної мутації переважував сумарні ефекти всіх шкідливих мутацій, що поширюються разом з нею за рахунок "генетичного автостопу".

Тут необхідно пояснити, що в довгостроковій перспективі в природних популяціях фіксується найбільше нейтральних мутацій, в тому числі синонімічних. Але це відбувається не за рахунок відбору, а за рахунок генетичного дрейфу. Однак в рамках даного експерименту дрейфом можна знехтувати. Для того, щоб в популяції чисельністю 100 000 особин за рахунок дрейфу зафіксувалася нова нейтральна мутація, потрібні тимчасові інтервали порядку сотень тисяч поколінь. Але експеримент тривав всього 1000 поколінь, тому в піддослідних популяціях за рахунок дрейфу нічого зафіксуватися не могло. Ті мутації, які в них зафіксувалися, зробили це напевно під дією відбору, а не дрейфу.

Таким чином, отриманий результат показує, що статеве розмноження допомагає відбору відокремлювати корисні мутації від всіх інших і закріплювати тільки їх, тоді як в безстатевих популяціях разом з нечисленними корисними мутаціями завдяки автостопу фіксується багато всякого сміття.

Цей висновок підтвердився при аналізі динаміки частоти народження мутацій (рис. 3). У статевих популяціях частоти різних мутацій змінювалися незалежно один від одного, а в безстатевих великі групи функціонально не пов'язаних один з одним мутацій змінювали свою частоту синхронно. Перше відповідає індивідуальним дії відбору на окремі ділянки генома, друге – клональной еволюції цілих геномів. Крім того, на малюнку 3 можна бачити, як в безстатевих популяціях деякі групи мутацій спочатку швидко нарощують свою частоту, а потім їх частота знижується аж до повного вимирання. Це – результат клональной інтерференції, тобто витіснення клонів з вдалими мутаціями іншими клонами, що володіють ще більш вдалими мутаціями. У статевій популяції корисні мутації обох клонів могли б закріпитися, але в безстатевої популяції вони можуть тільки конкурувати і витісняти один одного.

Мал. 3. Динаміка частоти народження нових мутацій в чотирьох безстатевих (зліва) І чотирьох статевих популяціях. По горизонтальній осі – час в поколіннях. суцільні лінії – несинонимичной мутації, великий пунктир – синонімічні, невеликий пунктир – міжгенних.Видно, що в статевих популяціях мутації змінювали свою частоту і фіксувалися більш-менш незалежно один від одного, тоді як в безстатевих популяціях вони робили це групами. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Щоб ще детальніше розібратися у впливі сексу на молекулярну еволюцію, автори спробували безпосередньо оцінити вплив окремих мутацій на пристосованість дріжджів. Для цього штам, що володіє тією чи іншою мутацією, схрещували з предковой лінією, а з гібридного потомства виділяли численні клони, що містять цю мутацію в різних генетичних контекстах. Після цього стежили, як зростає чи знижується частота мутації в ряду безстатевих поколінь у всіх цих клонах, а результати усереднювати. Інший спосіб полягав у штучному впровадженні мутацій в геном предкового штаму.

Як і слід було очікувати, в кожній групі мутацій, зафіксованих в безстатевих популяціях (ми ж пам'ятаємо, що при безстатевому розмноженні мутації фіксуються групами), виявилася як мінімум одна корисна мутація. Однак багато інших мутації, зафіксованих в безстатевих популяціях, виявилися нейтральними або шкідливими. Деякі з них знижують пристосованість на 1-3%.Ясно, що вони могли зафіксуватися тільки за рахунок автостопу. Ідея про те, що в адаптуються безстатевих популяціях можуть закріплюватися мутації зі значним шкідливим ефектом, висловлювалася раніше, але експериментально підтвердити її вдалося вперше.

Серед мутацій, зафіксованих в статевих популяціях, шкідливих або нейтральних виявити не вдалося: всі вони виявилися корисними. Правда, одна мутація, яка змінила ген MET2 (Кодує фермент, який бере участь в синтезі метіоніну), шкідлива в предкового генетичному контексті. Однак вона корисна на тлі інших мутацій, які виникли раніше в даній піддослідної лінії. Залежність корисності (і взагалі фенотипічного ефекту) мутації від генетичного контексту називають Епістаз. Раніше вже було показано, що в еволюції дріжджів епистаз грає деяку роль, правда далеко не таку важливу, як у бактерій (див .: Передбачуваний зростання пристосованості досягається непередбачуваними шляхами, "Елементи", 30.06.2014).

Дане дослідження відноситься до числа робіт, що підтверджують і розкривають на більш глибокому, молекулярному рівні старі, класичні еволюційні ідеї (див .: А. В. Марков, Е. Б.Наймарк, 2014. Еволюція. Класичні ідеї в світлі нових відкриттів). В даному випадку блискуче підтвердилася ідея про те, що статеве розмноження прискорює адаптацію, допомагаючи відбору відокремлювати корисні мутації від шкідливих. Завдяки статевого розмноження блокуються такі несприятливі для популяції процеси, як генетичний автостоп, що допомагає фіксуватися шкідливим мутаціям, і клональная інтерференція, прирікає на загибель більшість знову виникають корисних мутацій.

джерело: Michael J. McDonald, Daniel P. Rice & Michael M. Desai. Sex speeds adaptation by altering the dynamics of molecular evolution // Nature. Published online 24 February 2016.

Див. також:
1) Досліди на хробаків довели, що самці – річ корисна, "Елементи", 23.10.2009.
2) Різноманітна середовище сприяє статевого розмноження, одноманітна – безстатевого, "Елементи", 15.11.2010.
3) Користь самців доведена експериментально, "Елементи", 18.07.2011.
4) Дріжджі займаються сексом не від хорошого життя, "Елементи", 18.04.2012.

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