Proses kemunculan enzim baru dikesan dalam eksperimen evolusi • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Evolusi, Genetik

Proses kemunculan enzim baru dikesan dalam eksperimen evolusi

Salmonella enterica"border = 0>

Rajah. 1. Bacterium Salmonella enterica. Imej dari microbewiki.kenyon.edu

Eksperimen bakteria Salmonella enterica menunjukkan bahawa enzim-enzim baru boleh timbul di bawah skema "inovasi – penguatan – penyelewengan". Pertama, enzim sebagai hasil mutasi muncul sebagai tambahan aktiviti katalitik ("inovasi"). Jika fungsi baru terbukti berguna, pemilihan akan menyokong penguatan (penampilan salinan tambahan) gen diubah. Di masa depan, pembahagian buruh antara salinan ("perbezaan") mungkin berlaku: beberapa salinan dioptimumkan dengan pemilihan untuk fungsi lama, yang lain untuk yang baru. Sesuai dengan skim ini, enzim yang memangkinkan salah satu peringkat sintesis tryptophan diperolehi daripada enzim yang terlibat dalam sintesis histidin asid amino.

Senario teori

Gen baru, sebagai peraturan, muncul dari yang lama sebagai hasil penguatan (peningkatan jumlah salinan gen, lihat pendaan Gene), diikuti oleh pembahagian fungsi antara salinan. Fungsi baru mungkin muncul dalam salah satu salinan selepas amplifikasi. Pilihan alternatif ialah penampilan fungsi tambahan dalam gen sebelum ia diperkuat (untuk maklumat lanjut, lihatdalam nota Gen pelbagai fungsi – asas untuk inovasi evolusi, "Elemen", 30.06.2008).

Dalam kedua-dua kes ini, satu langkah wajib adalah untuk memperbaiki mutasi yang berguna dalam satu atau beberapa salinan gen selepas amplifikasi. Masalahnya adalah bahawa mutasi yang berguna ini perlu diperbaiki dengan cepat – sebelum salinan "berlebihan" gen tersebut dimanjakan oleh mutasi berbahaya atau hilang sepenuhnya. Sekiranya pemilihan tidak menghalang kerosakan pada salinan-salinan ini, mereka mungkin akan dimanjakan secara sia-sia sebelum sebarang mutasi yang berguna berlaku (kerana mutasi berbahaya berlaku lebih kerap daripada mutasi yang berguna). Akibatnya, segala-galanya akan kembali normal, dan dalam genom sekali lagi akan ada hanya satu salinan gen kerja ditambah sejumlah "sampah" – pseudogenes dimanjakan oleh mutasi, di mana salinan lain akan berubah.

Ahli-ahli biologi dari Sweden dan Amerika Syarikat mencadangkan dan menguji senario kemunculan gen baru, yang mereka panggil IAD (inovasi-penguatkuasaan-divergensi, inovasi-penguatkuasaan-divergensi). Senario ini sama dengan mekanisme yang terkenal untuk "mengelakkan konflik adaptif", yang diterangkan dalam artikel yang disebutkan di atas, tetapi ia mempunyai satu perbezaan yang signifikan.Dalam senario IAD, penguatan itu sendiri mempunyai makna penyesuaian, iaitu, salinan yang baru dibentuk daripada gen tidak "berlebihan" dari awal lagi: ia berguna, dan oleh itu pemilihan menghalang kerosakan mereka. Ini memberi mereka masa untuk menunggu kemunculan mutasi yang berguna.

Rajah. 2 Pembentukan gen baru mengikut skema "inovasi-penguatan-pemisahan". Penjelasan dalam teks. Imej dari artikel dalam perbincangan Sains

Gambarajah IAD ditunjukkan dalam Rajah. 2. Dalam gen dengan fungsi utama A, fungsi tambahan B muncul (atau wujud pada awalnya sebagai "kesan sampingan"), yang pada mulanya dijalankan dengan kecekapan yang rendah (dan oleh itu dilambangkan sebagai b). Jika fungsi sampingan ini tiba-tiba ternyata berguna (contohnya, disebabkan oleh perubahan dalam keadaan persekitaran), pemilihan akan mula menyokong mutasi yang meningkatkan fungsi ini. Cara paling mudah untuk mencapai matlamat ini, tanpa melanggar fungsi A, adalah untuk menguatkan gen bifunctional. Lebih banyak salinan gen tersebut akan berada dalam genom, semakin banyak molekul protein yang bersamaan dan fungsi B yang lebih cekap akan dilakukan. Oleh itu, pemilihan akan menyokong duplikasi gen dan melindungi salinan tambahan yang muncul dari kerosakan mutasi.Penulis mencatat bahawa penguatan gen adalah kategori mutasi yang sangat biasa. Sebagai contoh, dalam bakteria Salmonella entericadengan mana mereka bekerja, kebarangkalian duplikasi mana-mana gen adalah kira-kira 10-5 setiap bahagian sel.

Selepas itu, gen yang berlipat kali ganda akan dapat pakar. Jika dalam salah satu salinan terdapat mutasi yang meningkatkan fungsi B kepada merugikan A, maka pemilihan akan menyokongnya, kerana fungsi B adalah "kekurangan bekalan," dan salinan lain berjaya mengatasi fungsi A. Dalam salah satu daripada mereka, fungsi A mungkin dioptimumkan lagi – mungkin disebabkan kehilangan fungsi B.

Selepas kemunculan gen "pakar" yang dioptimumkan untuk prestasi yang berkesan fungsi A dan B, salinan yang tersisa akan menjadi sangat berlebihan. Kemudian mereka mungkin cepat pseudogenize atau hilang.

Pengesahan eksperimen

Untuk menguji idea mereka, penulis membuat eksperimen evolusi pada Salmonella. Sebagai permulaan, mereka mengambil bakteria daripada gen gen yang dikeluarkan trpF. Enzim yang dikodkan oleh gen ini mengatalisis salah satu peringkat sintesis asid amino tryptophan. Langkah yang sama dalam sintesis asid amino lain, histidine, dipangkin oleh enzimnya. Berkembang salmonella tidak mempunyai gen trpF, dalam medium yang tidak mengandungi tryptophan, penyelidik mendapati bakteria yang mempunyai mutasi spontan (lebih tepatnya, kompleks dua mutasi – dua kali ganda daripada tiga kodon dan menggantikan satu asid amino) dalam gen hisA. Akibatnya, enzimnya menjadi berfungsi. Beliau memperoleh keupayaan untuk melaksanakan fungsi trpF, walaupun dengan kecekapan rendah. Fungsi awal nyaAa dipengaruhi, iaitu, sintesis histidina menjadi kurang berkesan. Namun begitu, bakteria mutan memperoleh keupayaan untuk tumbuh secara perlahan dalam persekitaran yang tidak mengandungi tryptophan mahupun histidine. Oleh itu, mutasi yang dihasilkan boleh dianggap sebagai peringkat pertama – "inovasi" dalam senario IAD. Kini perlu menyemak sama ada dua tahap yang lain boleh dilaksanakan.

Bakteria mutant dibahagikan kepada beberapa baris, yang ditanam secara berasingan dari satu sama lain dalam persekitaran tanpa tryptophan dan histidine. Untuk mengesan duplikasi gen, bersebelahan hisA penyelidik meletakkan gen protein pendarfluor kuning yfp, supaya bilangan salinan serpihan genom ini dapat dinilai oleh kekuatan pendarfluor. Oleh kerana enzimnya yang mutannya berfungsi dengan baik, pada mulanya bakteria tumbuh dengan perlahan, menggandakan jumlahnya dalam masa 5.1 jam.Sebagai perbandingan, dalam medium dengan tryptophane dalam bakteria ini, dari satu bahagian ke yang lain, ia mengambil masa 2.8 jam, dengan histidine – 2.6, dengan kedua-dua asid amino – 1.5.

Walau bagaimanapun, selepas beberapa ratus generasi, kadar pembiakan bakteria dalam banyak baris meningkat dengan ketara. Ini berlaku, seperti yang dijangkakan, disebabkan penguatan gen bifunctional. Hingga 20 salinan dipaparkan dalam beberapa baris. hisA. Akibatnya, jumlah enzim yang dihasilkan oleh sel meningkat, dan kedua-dua asid amino mula disintesis dengan lebih cepat. Oleh itu, tahap kedua senario yang dicadangkan – juga telah disahkan.

Eksperimen ini berlangsung selama 3000 generasi, dan selama ini mutasi yang mempercepat pertumbuhan telah disatukan di semua baris. Pada masa yang sama, dalam majoriti baris muncul enzim- "pakar", dengan berkesan melaksanakan salah satu daripada dua fungsi. Dalam beberapa kes, ini disertakan dengan kehilangan salinan yang tidak perlu (dua salinan menjadi "pakar", yang lain hilang). Keputusan ini selaras dengan ramalan model IAD. Tetapi sesuatu yang tidak dijangka juga ditemui: dalam beberapa baris, di bawah pengaruh mutasi dan pemilihan, enzim "generalis" terbentuk yang mengatasi baik dengan kedua-dua fungsi pada masa yang sama.

Rajah. 3 Empat contoh trajektori evolusi yang dicatatkan dalam eksperimen. Rhombic sesuai dengan versi enzimnya yang berlainan. Pada carta pada paksi mendatar kecekapan sintesis histidine ditangguhkan (dianggarkan sebagai kadar pertumbuhan bakteria dalam persekitaran dengan tryptophan tanpa histidine), pada menegak – Kecekapan sintesis tryptophan (diukur sebagai kadar pertumbuhan dalam persekitaran dengan histidine tanpa tryptophan). Seluruh garisan eksperimen pada mulanya mempunyai satu salinan gen dengan mutasi dup13-15 dan D10G. Enzim ini melakukan kedua-dua fungsi, tetapi dengan kecekapan rendah. Dalam kes A selepas amplifikasi, satu salinan gen asal telah dioptimumkan untuk sintesis histidine, kehilangan keupayaan untuk mensintesis tryptophan (D10G), yang lain dioptimumkan untuk sintesis tryptophan dan telah melupakan bagaimana mensintesis histidine (dup13-15, D10G, G81D). Dalam kes-kes B dan C Gen yang mula-mula memperoleh mutasi G102A, yang menjadikannya "umum" yang lebih berkesan, tetapi kemudiannya diperkuatkan, dan salinannya yang berlainan khusus untuk melaksanakan dua fungsi secara berasingan. Dalam kes D Enzim generalis yang sangat cekap terbentuk dengan mutasi dup13-15, D10G, G102A, G11D, G44E. Blue Rhombus varian genetik yang unik dalam populasi mereka ditunjukkan pada beberapa peringkat evolusi, kuning – mereka yang mana varian gen lain sentiasa ada hisA. Imej dari artikel dalam perbincangan Sains

Oleh itu, eksperimen dengan jelas menunjukkan bahawa senario "inovasi – penguatan – penyelewengan" agak realistik. Ada kemungkinan bahawa banyak gen baru dalam proses evolusi timbul dengan cara ini. Tetapi mungkin perkara paling menarik dalam artikel ini adalah nada tenang dan gaya membosankan kecil, seolah-olah menekankan bahawa menghasilkan semula peristiwa-peristiwa evolusi asas dalam tiub ujian sudah menjadi latihan rutin untuk ahli biologi.

Sumber: Joakim Näsvall, Lei Sun, John R. Roth, Dan I. Andersson. Evolusi Masa Nyata Gen Baru Dengan Inovasi, Penggabungan, dan Perbezaan // Sains. 2012. V. 338. P. 384-387.

Lihat juga:
Gen pelbagai fungsi – asas untuk inovasi evolusi, "Unsur", 06/30/2008.

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