Pertumbuhan kecergasan yang dapat diramalkan dicapai dengan cara yang tidak menentu • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Evolusi, Genetik

Peningkatan kecergasan yang boleh diramal dicapai dengan cara yang tidak menentu.

Rajah. 1. Skim eksperimen. Dari satu sel haploid leluhur tunggal (DivAnc) menerima 432 garisan, yang berkembang dalam keadaan yang sama, tetapi dengan bilangan penduduk yang berlainan lebih daripada 240 generasi (fase kepelbagaian, Diversifikasi). Dari baris ini, 64 Pengasas dipilih. Dari setiap pengasas menerima 10 garisan percubaan, masing-masing 500 generasi lagi disesuaikan dengan keadaan yang sama dengan saiz populasi yang sama (tinggi) (fasa penyesuaian, Adaptasi). Shades of green kecergasan ditunjukkan (semakin gelap lebih tinggi). Gambar dari bahan tambahan kepada artikel yang dibincangkan diSains

Ahli biologi Amerika melakukan eksperimen evolusi di mana 640 baris yis, yang berasal dari 64 sel-sel penubuhan genetik berbeza, disesuaikan dengan keadaan yang sama untuk 500 generasi. Pertumbuhan kecergasan dalam garis percubaan adalah lebih cepat, semakin rendah kecergasan awal pengasasnya. Akibatnya, pada akhir eksperimen, perbezaan dalam kecergasan hilang. Mutasi mutasi berguna yang ditetapkan dalam garisan yang berbeza tidak bergantung kepada genotip asal dan ternyata berbeza pada paras nukleotida, walaupun kebanyakannya menyentuh gen yang sama.Kajian itu tidak mendedahkan interaksi tertentu antara mutasi, tetapi menunjukkan bahawa kegunaan mutasi yang sama berkurangan dengan peningkatan dalam keseluruhan genotip kebugaran.

Salah satu persoalan paling penting mengenai biologi evolusi ialah persoalan hubungan antara peluang dan keteraturan dalam evolusi adaptif. Mutasi kebanyakannya rawak, tetapi mana yang akan diperbetulkan dan yang akan dihapuskan bergantung kepada kesannya terhadap kecergasan (kecekapan pembiakan). Sebagai contoh, jika terdapat hanya satu mutasi tunggal yang mampu meningkatkan kebolehsuaian suatu genotip yang diberikan kepada keadaan persekitaran yang diberikan, maka proses penyesuaian akan dapat diramalkan, walaupun sifat mutagenesis rawak. Semua mutasi akan dihapuskan sehingga satu dan hanya satu pilihan yang menyokong.

Jika terdapat banyak mutasi berpotensi berguna, maka persoalan epistasis (lihat Epistasis), iaitu, bagaimana mutasi ini berinteraksi antara satu sama lain, datang ke hadapan. Kursus evolusi adaptif akan ditentukan oleh bagaimana mutasi yang telah ditetapkan sebelum ini mempengaruhi kegunaan mereka yang belum muncul.

Sekiranya epistasis tidak wujud (iaitu, kesan mutasi adalah bebas antara satu sama lain)maka mutasi yang berguna akan ditetapkan secara rawak, dan perjalanan penyesuaian akan secara rawak. Epistasis kuat membataskan bilangan trajektori evolusi yang dibenarkan dan menjadikan evolusi adaptif lebih diramalkan dan lebih bergantung kepada keadaan awal, iaitu mutasi yang akan berlaku pertama (untuk butiran lebih lanjut, lihat berita. Jalan evolusi ditentukan pada tahap molekul, "Unsur", 04/12/2006 dan Perkembangan alam semesta protein berterusan, "Unsur", 05/24/2010).

Elemen telah menceritakan tentang eksperimen evolusi yang menunjukkan peranan penting epistasis dalam evolusi bakteria adaptif (evolusi sejajar dikaji dalam eksperimen bakteria, Elemen, 01 Februari 2012; Dalam eksperimen evolusi jangka panjang, pemilihan dibuat untuk prospek evolusi, Elemen, 25.03. 2011). Ahli biologi Amerika yang menerbitkan hasil penyelidikan mereka dalam terbitan jurnal terkini Sains, melakukan percubaan serupa pada yis dan memperoleh keputusan yang sangat berbeza daripada yang diperolehi sebelum ini pada bakteria.

Eksperimen ini menggunakan jantina yang sama, yis haploid, tidak mampu melakukan proses seksual (lihat Pengambilan ragi).Benar, beberapa garisan percubaan berjaya menghalang halangan yang diletakkan di hadapan mereka, mengubah jantina, mula berkahwin dan diluluskan ke dalam keadaan diploid (lihat di bawah). Daya ragi yis diukur dalam ujian kompetitif, memaksa mereka untuk membiak dengan penyulingan dalam budaya bercampur dengan ketegangan kawalan berlabel.

Eksperimen ini terdiri daripada dua peringkat (Rajah 1). Pada tahap pertama ("kepelbagaian"), 432 garisan yang diperoleh dari satu sel haploid leluhur tunggal hidup dalam persekitaran yang kaya dengan standard, sama ada dengan populasi penduduk yang tinggi atau rendah untuk 240 generasi (10 generasi sehari). Penulis ingin mendapatkan satu set garisan yang sangat berbeza dalam kecergasan. Mereka bermula dari anggapan bahawa dalam populasi kecil, kerana hanyut genetik, mutasi yang kurang berbahaya akan lebih sering direkodkan, dan populasi besar, di mana hanyut lebih lemah, dan pemilihan adalah lebih berkesan, mutasi berbahaya terkumpul kurang, dan lebih berguna. Harapan mereka pada umumnya disahkan, dan pada akhir tahap kepelbagaian mereka menerima seperangkat garis yang sangat berbeza. Dari baris ini, mereka memilih 64 "sel pengasas", dan sampel dicipta sedemikian rupa untuk menampung keseluruhan variabiliti kecergasan.Genom pengasas berbeza dari genom sel nenek moyang dengan rata-rata mutasi sebanyak 4.2 mutasi yang dipupuk semasa kepelbagaian. Semua pengasas mempunyai set mutasi berbeza. Ini membenarkan pengarang untuk menilai pengaruh "konteks genetik" pada perjalanan evolusi seterusnya.

Tahap kedua eksperimen ("penyesuaian") terdiri daripada fakta bahawa 10 garisan dihasilkan dari setiap pengasas, dan seterusnya 640 garisan yang dihasilkan secara bebas dari satu sama lain terus menyesuaikan diri dengan keadaan yang sama untuk 500 generasi. Bilangan semua penduduk kini sama (tinggi). Secara berkala, sebahagian daripada setiap populasi dibekukan pada suhu -80 ° C, sekali gus mewujudkan "rekod fosil hidup" eksperimen.

Semua ini dicipta untuk menilai, dalam satu tangan, stokastik proses evolusi, di sisi lain – pengaruh latar belakang genetik semasa penyesuaian. Stochasticity dinilai dengan membandingkan garis-garis yang berasal dari pengasas yang sama. Untuk menilai pengaruh konteks genetik, garis dari pengasas berbeza telah dibandingkan.

Kesesuaian yis eksperimen lebih daripada 500 generasi telah berkembang secara purata sebanyak 6.6%.Pada masa yang sama, perbezaan kecergasan di antara garis-garis besar telah diletakkan di luar (Rajah 2).

Rajah. 2 Kecergasan populasi eksperimen pada awal fasa penyesuaian (bar biru), di tengahnya (bar hijau) dan pada akhir (jingga oren). Sepanjang paksi mendatar – kecergasan, menegak – bilangan populasi dengan kecergasan sedemikian. Ia dapat dilihat bahawa pada akhir percubaan pengedaran semakin sempit, iaitu perubahan dalam kecergasan menurun. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Perhalusan perbezaan disebabkan oleh fakta bahawa garis yang diperolehi dari pengasas dengan kecergasan awal yang tinggi meningkatkan kecergasan mereka semasa percubaan lebih perlahan daripada garis-garis dengan kecergasan rendah awal. Pemimpin perlahan, ketinggalan ditarik, dan akibatnya, penyebarannya berkurangan. Oleh itu, walaupun kedudukan permulaan yang tidak sama, populasi eksperimen lebih daripada 500 generasi telah menghasilkan keputusan yang sama. Ia boleh dikatakan bahawa perjalanan evolusi adaptif sebahagiannya dapat diramalkan – jika kita hanya memperhitungkan kecergasan dan tidak masuk ke dalam genetiknya.

Analisis statistik membenarkan kami untuk menganggarkan pengaruh pelbagai faktor ke atas kadar pertumbuhan kecergasan (Rajah 3). Ternyata perbezaan di antara garis-garis dalam kadar pertumbuhan kecergasan sebesar 29% ditentukan oleh stochasticity evolusi (iaitu, dengan pelbagai cara penyesuaian keturunan yang berlainan dari pengasas yang sama pergi), sebanyak 21% oleh kesilapan pengukuran, sebanyak 50% oleh sifat pengasas. Selain itu, sifat-sifat ini, yang paling penting ialah kecergasan: ia menentukan 46% daripada 50% di atas, dan hanya 4% bergantung kepada ciri-ciri khusus genotip pengasasnya.

Rajah. 3 Sumbangan pelbagai faktor kepada perbezaan dalam magnitud peningkatan kecergasan selepas 250 generasi penyesuaian (di bahagian atas) dan selepas 500 generasi (turun di bawah). Pengasas – pengasas, stokastik Evolusioner – stochasticity evolusi, Kesilapan pengukuran – kesilapan pengukuran, genotip Pengasas – genotip pengasas, Pengasas kecergasan – pengasas kecergasan. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Dengan kata lain, pertumbuhan kecergasan dalam garisan eksperimental yis ditentukan terutamanya oleh betapa sesuai dengan pengasas itu – tidak kira apa set mutasi yang diberikan kepadanya dengan kecergasan ini.Keturunan para pengasasnya yang disesuaikan dengan baik beradaptasi secara perlahan, keturunan yang disesuaikan dengan cepat. "Latar belakang genetik" tertentu hanya mempunyai kesan yang sangat kecil (walaupun signifikan secara statistik) terhadap kadar penyesuaian.

Hasil ini sebahagiannya bersetuju dengan kesimpulan eksperimen evolusi lain, di mana peningkatan perlahan dalam kecergasan juga ditunjukkan. Oleh itu, dalam eksperimen evolusi jangka panjang Richard Lensky, diperhatikan bahawa setiap mutasi berguna yang diperbuat membuat penambahbaikan genetik berikutnya secara purata kurang berguna. Fenomena ini telah dipanggil "epistasis pulangan berkurang" (lihat Hasil Baru Percubaan Evolusi Jangka Panjang: Kesesuaian Bakteria Eksperimen Terus Berkembang, Unsur, 12/23/2013).

Tetapi untuk menghasilkan nama tidak bermakna menerangkan mekanisme itu. Kelembapan kecergasan mungkin disebabkan oleh pelbagai sebab. Sebagai contoh, terdapat hipotesis "epistasis modular". Ia menganggap bahawa banyak mutasi yang berguna adalah berlebihan dalam erti kata bahawa jika salah satu daripada mereka telah terjadi, yang lain tidak akan dapat menambah apa-apa untuk kesan yang bermanfaat.Katakan badan itu berguna dalam keadaan ini untuk mematikan modul berfungsi. Ini boleh dicapai dengan melumpuhkan satu atau gen lain. Mutasi dengan kesan ini boleh sangat. Mutasi pertama yang mematikan gen akan bermanfaat, dan pemilihan akan menyokongnya. Tetapi jika gen itu telah dilumpuhkan, mutasi baru yang merosakkannya tidak lagi berguna: mereka akan menjadi neutral. Perkara yang sama akan berlaku sekiranya bermanfaat untuk tidak melumpuhkan modul, tetapi untuk memperkuat kerjanya. Lagipun, ini juga boleh dilakukan dalam pelbagai cara (dengan bantuan mutasi yang berbeza). Kelembapan dalam pertumbuhan kecergasan boleh disebabkan oleh fakta bahawa lebih banyak modul sudah dioptimumkan, peluang yang lebih sedikit tetap untuk sesuatu yang lain untuk diperbaiki.

Satu lagi model ("epistasis khusus") menunjukkan bahawa kegunaan kebanyakan mutasi sangat bergantung kepada konteks genetik, jadi setiap mutasi bermutasi baru secara dramatik boleh mengubah peluang untuk memperbaiki mutasi lain. Dalam kes ini, jalan ke kecergasan maksimum menjadi seperti labirin dengan banyak garpu dan hujung mati. Geografi labirin ini mungkin sedemikian rupa sehingga semakin jauh anda mendaki, semakin sedikit kemungkinan anda perlu maju sedikit lagi.

Akhirnya, variasi "epistasis global" adalah mungkin, apabila kegunaan mutasi bergantung sedikit pada konteks genetik tertentu, tetapi sangat bergantung pada kecergasan keseluruhan organisme. Pada masa yang sama, mutasi yang sama akan memberi sedikit manfaat kepada organisma yang disesuaikan dengan baik, sementara yang kurang disesuaikan akan memberi manfaat yang besar.

Sekiranya epistasis "modular" atau "spesifik" berlaku, maka evolusi mesti sangat bergantung kepada genotip asli. Dalam kes ini, garisan yis percubaan yang diperoleh daripada pengasas yang sama akan mempunyai set mutasi yang serupa. Sekiranya epistasis global berlaku, set mutasi dalam keturunan para pengasas yang sama mungkin berbeza sama ada dalam keturunan para pengasas yang berbeza.

Untuk menguji andaian ini, penulis mengurai dan membandingkan genom penuh 104 klon eksperimen yang diperoleh daripada 13 pengasas. Sebenarnya, 150 keturunan daripada 15 pengasas telah dipilih, tetapi banyak klon, seperti yang ternyata, mempunyai perubahan evolusi tanpa kebenaran, seperti penetapan alel mutator (lihat Keputusan Baru Eksperimen Evolusi Jangka Panjang: Kecekapan Bakteria Eksperimen Terus Berkembang, Unsur-unsur12/23/2013) atau pemulihan keupayaan untuk proses seksual dan peralihan kepada keadaan diploid. Klon tersebut dikecualikan daripada pertimbangan.

Baki 104 klon menunjukkan sejumlah 1149 mutasi yang ditetapkan pada peringkat penyesuaian. Pada 13 pengasas di peringkat kepelbagaian mencatatkan 55 mutasi. Oleh itu, dalam setiap baris, kira-kira satu mutasi telah dicatatkan setiap 50 generasi, kedua-duanya di peringkat kepelbagaian dan pada tahap penyesuaian.

Penulis dikecualikan dari pertimbangan penggantian sinonim dan mutasi dalam jurang intergenik, karena kemungkinan besar tidak memiliki signifikansi fungsi. Terdapat 818 mutasi, mungkin penting bagi organisma. Eksperimen terdahulu mengenai evolusi bakteria dan virus selari telah menunjukkan bahawa penyesuaian dengan keadaan yang sama sering membawa kepada penentuan bebas mutasi yang sama dalam garis eksperimen yang berbeza. Percubaan pada yis memberikan hasil yang berbeza: semua mutasi yang dikenalpasti, kecuali empat, ternyata unik, iaitu sifat hanya untuk satu klon 104.

Walaupun mutasi itu sendiri di peringkat nukleotida adalah berbeza, terdapat persamaan yang ketara dalam set gen di mana mutasi telah ditetapkan dalam klon yang berbeza (seperti dalam eksperimen evolusi bakteria selari).Sebagai contoh, 24 gen telah ditemui, mutasi di mana secara tetap ditetapkan dalam tiga atau lebih klon. Dalam hal pengedaran rawak, nombor ini akan menjadi urutan magnitud yang lebih kecil. Jelas, mutasi dalam 24 gen ini sering terbukti berguna dalam keadaan eksperimen.

Satu akan mengandaikan bahawa keturunan pengasas yang kurang disesuaikan (yang kecergasannya bertambah kuat) dalam proses penyesuaian telah diperbetulkan mutasi yang lebih penting (dan mungkin berguna) dari keturunan pengasas dengan kecergasan yang tinggi. Walau bagaimanapun, ini tidak disahkan: bagi mereka dan yang lain, bilangan mutasi yang mungkin berguna yang terperangkap pada purata ternyata sama. Ini konsisten dengan hasil eksperimen Lensky, di mana jumlah mutasi tumbuh pada kadar yang tetap, walaupun kecergasan meningkat dengan penurunan (lihat hasil eksperimen evolusi 40,000 generasi panjang, Elemen, 02.11.2009).

Penulis memperoleh hasil yang paling penting dengan membandingkan set gen mutasi dalam klon yang berasal dari yang sama dan daripada pengasas yang berlainan. Ternyata asal usul dari seorang pengasas (iaitu, latar belakang genetik yang sama) tidak meningkatkan kemungkinan mutasi dalam gen yang sama.Tahap keserupaan dalam set gen mutasi ternyata sama untuk klon dengan latar belakang genetik yang sama dan berbeza. Hasilnya adalah hujah yang kuat memihak kepada hipotesis "epistasis global" dan terhadap model "epistasis modular" dan "epistasis khusus".

Eksperimen kejuruteraan genetik tambahan juga mengesahkan epistasis global. Para penulis memilih tiga gen di mana beberapa klon secara bebas mempunyai mutasi yang akan menonaktifkan gen ini (Gambar 4). Ini bermakna bahawa mematikannya mungkin meningkatkan kecergasan dalam keadaan ini. Para saintis telah melumpuhkan gen ini dalam 13 pengasas, dalam nenek moyang yang sama, dan dalam beberapa klon tambahan dengan kecergasan yang berbeza. Ternyata bahawa prosedur ini benar-benar meningkatkan kecergasan, dan kekuatan kesan positif bergantung pada kecergasan awal klon tersebut. Ragi dengan kebugaran kecergasan pada mulanya hanya keuntungan kecil daripada mematikan mana-mana tiga gen, sedangkan dengan yis kecergasan rendah ia membawa manfaat lebih nyata.

Rajah. 4 Kesan yang menguntungkan mutasi yang sama berkurang dengan peningkatan kebugaran keseluruhan genotip di mana mutasi ini berlaku.Kesan penghapusan satu daripada tiga gen ditunjukkan (gat2, whi2, sfl1) pada kecergasan klon ragi yang berbeza, bergantung kepada kecergasan awal klon ini. Paksi menegak – perubahan kecergasan (dalam%) selepas penyingkiran gen, pada paksi mendatar – kecergasan awal klon itu. Penyingkiran gen ho (lencana kelabu), tidak menjejaskan kecergasan, digunakan sebagai kawalan. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Oleh itu, kajian menunjukkan bahawa epistasis global memainkan peranan penting dalam evolusi penyesuaian yis. Semakin tinggi kebugaran, mutasi bermanfaat yang kurang bermanfaat membawa manfaat baru, dan kesan ini praktikal tidak bergantung pada konteks genetik tertentu. Kegunaan mutasi bergantung hanya pada kecergasan umum, tetapi bukan pada ciri-ciri genetik yang kecergasan ini dikondisikan. Penyebab dan mekanisme yang memberikan epistasis global dalam ragi masih belum diketahui: lebih banyak kajian diperlukan untuk mengenal pasti mereka.

Setakat ini tidak ada jawapan kepada soalan mengapa epistasis khusus – pengaruh mutasi mutasi, yang jelas ditunjukkan dalam eksperimen bakteria – tidak terdapat dalam ragi.Mungkin ini entah bagaimana berkaitan dengan perbezaan asas antara seni bina genomik prokariota dan eukariota (perbezaan ini diterangkan secara terperinci dalam buku Eugene Kunin, "Logik Kes"). Populasi besar adalah ciri prokariot, yang meningkatkan kecekapan pemilihan pembersihan. Mungkin itulah sebabnya genom prokariotik dioptimumkan dan padat, terdapat sedikit "serpihan genetik" di dalamnya, tetapi sedikit darjah kebebasan untuk transformasi evolusi; blok fungsional tertentu maklumat keturunan terlalu rapat dipadankan antara satu sama lain – termasuk kerana warisan yang berkaitan, yang dihasilkan oleh ketiadaan proses seksual yang benar dan jarang jarang pertukaran pertukaran gen di antara organisma. Eukariota, walaupun sel tunggal, secara purata jauh lebih besar daripada prokariota, jadi populasi mereka lebih kecil, dan pemilihan pemurnian tidaklah berkesan. Oleh itu, struktur genom di dalamnya lebih "longgar", terdapat banyak bahagian bukan pengkodan dan pelbagai unsur egoistik di dalamnya. Di samping itu, alleles sentiasa digerakkan semasa pembiakan seksual, dan oleh itu tidak banyak "tersentuh" ​​antara satu sama lain. Salah satu manifestasi sifat-sifat umum genom eukariotik ini mungkin melemahkan kebergantungan kegunaan mutasi pada konteks genetik tertentu.Walau bagaimanapun, kami masih mempunyai sedikit data mengenai asas genetik evolusi adaptif eukariot untuk membuat kesimpulan global.

Sumber: Sergey Kryazhimskiy, Daniel P. Rice, Elizabeth R. Jerison, Michael M. Desai. Epistasis global membuat adaptasi boleh diramal walaupun stochasticity peringkat urutan // Sains. 2014. V. 344. P. 1519-1522.

Lihat juga "epistasis pulangan berkurang" dan pertumbuhan perlahan dalam kecergasan:
1) Hasil eksperimen evolusi dengan panjang 40.000 generasi, "Unsur", 02.11.2009.
2) Keputusan baru eksperimen evolusi jangka panjang: kesesuaian bakteria eksperimen terus berkembang, "Elemen", 12.23.2013.

Mengenai peranan "epistasis khusus" (pengaruh konteks genomik tertentu mengenai utiliti mutasi):
1) Evolusi selari telah dikaji dalam eksperimen bakteria, "Elemen", 01.02.2012.
2) Laluan evolusi ditakrifkan pada tahap molekul, "Elemen", 12.04.2006.
3) Perluasan alam semesta protein terus, "Unsur", 05/24/2010.
4) Dalam eksperimen evolusi jangka panjang, pemilihan untuk "perspektif evolusi" dan "Unsur" diturunkan, 03/25/2011.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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