Sažetak rezultata evolucijskog eksperimenta s duljinom od 40.000 generacija • Alexander Markov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Genetika, evolucija

Sažetak evolucijskog eksperimenta s duljinom od 40.000 generacija

Flaskovi s 12 eksperimentalnih populacija Escherichia coli. Svaka od tih populacija se razvija već 20 godina pod bliskim nadzorom istraživača. U članku koji se raspravlja u prirodi razmatraju se evolucijske promjene koje su se dogodile u populaciji A-1. Fotografije iz en.wikipedia.org

Tijekom jedinstvenog eksperimenta koji je trajao više od 20 godina, bilo je moguće detaljno pratiti evolucijske promjene koje su se dogodile u populaciji Escherichia coli Escherichia coli preko 40.000 generacija. U prvoj polovici eksperimenta u populaciji su zabilježene uglavnom korisne mutacije, povećavajući sposobnost bakterija. Najviše neočekivan rezultat bio je konstanta brzine akumulacije korisnih mutacija. Do sada se vjerovalo da se neutralne mutacije trebaju akumulirati pri konstantnoj brzini, ali nisu korisne, ali u eksperimentu sve se pokazalo suprotno. U sredini pokusa u populaciji je fiksirana mutacija, koja je oštro povećala brzinu mutageneze. Nakon toga, mutacije su počele brže poravnati red veličine, ali to su uglavnom neutralne, ne korisne, mutacije.

Konačno počinje doći do dugogodišnjeg sna biologa koji izravno uspoređuju stope evolucije na genomskoj i organizmičkoj razini.Do sada, na ovom području, trebao bi se uglavnom zadovoljiti s teorijskim razmatranjima i matematičkim modelima. Jedinstveni eksperiment, pokrenut 1988. od strane međunarodnog tima istraživača na čelu s Richardom Lenskom (Richard E. Lenski), omogućio je, bez presedana pojedinosti, da pratimo tijek evolucije i na razini genoma (mutacija) i na razini cijelog organizma (stopa razvoja prilagodbe).

Eksperiment se provodi paralelno sa 12 populacija. E. coli, ali u raspravljenom članku se razmatra samo jedan od njih. Bakterije se uzgajaju na "minimalnom" hranjivom mediju (vidi: minimalni medij za rast) u kojem ograničavajući čimbenik koji ograničava rast bakterija je nedostatak hrane (glukoza). Svakog dana, 0,1 ml sadržaja se iz cijevi s mikroorganizmima i stavlja u novu epruvetu s 9,9 ml svježeg hranjivog medija. Periodički, dio stanovništva je zamrznut na -80 ° C i pohranjen za daljnje proučavanje. Ovo je pametno jer analitičke tehnike – posebice tehnike sekvenciranja ("čitanja") genoma – brzo se razvijaju i postaju sve jeftinije.Do danas, autori potpuno otsekvevenirovy genoma bakterija iz generacije br. 0 (pretke soj), 2000, 5000, 10 000, 15 000, 20 000 i 40 000.

Redovito se provodi i procjena "sposobnosti" stanovništva. Zbog toga se stopa reprodukcije "eksperimentalnih" mikroba uspoređuje s kontrolnim sojem (za metodu procjene fitnesa, vidi napomenu: Eksperimenti o crvi pokazali su da su muškarci korisna stvar, Elementi, 23. listopada 2009.).

Trajanje eksperimenta i veličina populacije bili su dovoljni da se svaka od mogućih točkastih mutacija (nukleotidnih supstitucija) tijekom slučajne mutacije dogodila više od jednom (veličina genoma eksperimentalnog soja E. coli bila je 4,6 x 106 nukleotidni parovi).

Koja je razlika između "pojave" mutacije i njegovog "popravljanja" (fiksacije). Nisu sve nastale mutacije nepromjenjive (popravljene) u populaciji. Svaka se mutacija inicijalno pojavljuje samo u jednoj mikrobi. Da bi se moglo doći do mutacije, potomci tog mikroba moraju zamijeniti sve ostale mikrobe u njihovoj cijevi. Štetna mutacija vjerojatno će biti eliminirana selekcijom. Korisna mutacija pod utjecajem selekcije može se fiksirati, tj. Širiti u populaciji i dosegnuti frekvenciju sto posto, ali isto tako se može slučajno izgubiti prije nego što njeni nositelji još nemaju vremena za pravilno reprodukciju.Konačno, neutralne mutacije, prema postojećim teorijskim modelima, trebaju biti fiksirane pri konstantnoj brzini jednakoj brzini mutacije. Učestalost pojavljivanja neutralne mutacije u populaciji varira u skladu s algoritmom slučajnog hoda (vidi slučajnu šetnju) sve dok ne slučajno dosegne vrijednost od 0% (potpunu eliminaciju) ili 100% (fiksacija). Paradoksalno, stopa učvršćivanja neutralnih mutacija ne ovisi o veličini stanovništva. To se objašnjava činjenicom da što je veća populacija, to se češće pojavljuju mutacije, ali je niža vjerojatnost popravljanja svake od njih. Kao rezultat toga, veličina populacije u jednadžbi jednostavno se smanjuje.

Za prvih 20.000 generacija, 45 mutacija su fiksirana u eksperimentalnoj populaciji, uključujući 29 single-nukleotidnih supstitucija i 16 drugih mutacija (umetanja, taloženja, inverzija, ugrađivanje pokretnih elemenata). Najzanimljivija stvar je da je stopa akumulacije mutacije u ovoj fazi strogo stalna (sva odstupanja od linearnog modela su statistički beznačajna), dok je fitnes prvo rastao vrlo brzo, a potom je usporen rast (vidi sliku).

Stalna stopa fiksacije, prema teoriji, karakteristična je za neutralne mutacije. Međutim, sve 45 mutacije ne bi mogle biti neutralne. Jasno je da su barem neki od njih bili korisni – to se očituje rastom kondicije. Rezultati nisu vrlo lako povezati s hipotezom da su sve 45 mutacije bile korisne. Autori uzimaju u obzir nekoliko jednostavnih modela s različitim skupovima početnih pretpostavki, od kojih slijedi da bi, ukoliko su sve mutacije bile korisne, tada bi obje vrijednosti – fitnesi i broj nakupljenih mutacija – morali promijeniti na sličan način, tj. Rastati konstantnom brzinom ili paralelno s usporavanjem.

Najjednostavnije moguće objašnjenje je da među 45 mutacija koja su se dogodila, većina je bila neutralna, ali neki su bili korisni, a većina korisnih mutacija je fiksirana uskoro nakon početka eksperimenta. Prilike za "korisnu mutaciju" prilično su brzo iscrpljene, a uglavnom neutralne mutacije zabilježene su u budućnosti.

Akumulacija mutacija (plave linije i krugove) i rast fitnesa (zelenih linija i kvadrata) u eksperimentalnoj populaciji. Duž horizontalne osi – broj generacije. Može se vidjeti da je broj fiksnih mutacija linearno porastao (tanke isprekidane linije prikazuju 95% intervala pouzdanosti linearnog modela). Fitness je prvo rastao vrlo brzo, a potom je usporio rast. "Skakanje" zelenih kvadrata gore i dolje u odnosu na zelenu crta ne prelazi granice statističke pogreške, tj. Ne zahtijevaju posebna objašnjenja. Na malom grafikonu u donjem desnom kutu pokazalo se oštro ubrzanje akumulacije mutacije počevši otprilike od generacije br. 26.000, kada je promatrana mutacija u populaciji koja povećava brzinu mutageneze. Sl. iz predmetnog članka priroda

Autori, međutim, navode četiri ozbiljna argumenta protiv takvog objašnjenja.

1) U slučaju prevladavanja neutralnih mutacija, broj sinonimnih nukleotidnih supstitucija trebao bi biti oštro povećan (tj. Takve promjene DNA koje ne dovode do promjena aminokiselinskog slijeda proteina). Suprotno tim očekivanjima, sve su bez iznimke, fiksne mutacije u kodirajućim regijama gena značajne (ne sinonimne).

2) U slučaju prevladavanja neutralnih mutacija, trebali bismo očekivati ​​da će u 12 eksperimentalnih populacija (od kojih 11 punih genoma još nije sekvencionirano) preko 20.000 generacija, mutacije su fiksirane u različitim genima.Nasuprot tome, mutacije u istim genima, koje su se fiksirale neovisno u različitim populacijama, tvrdile su da su mutacije fiksirane kao rezultat selekcije, umjesto genetskog pomaka (tj. Mutacije su bile korisne). Da bi to potvrdili, autori otsekvevenirovany bakterije generacije br. 20.000 od preostalih jedanaest eksperimentalnih populacija od 14 gena, u kojem je "glavni" eksperimentalno stanovništvo ukorijenjene mutacije. Pokazalo se da se u većini slučajeva u drugim populacijama i ti geni promijenili.

3) Ako je većina mutacija bila neutralna, u tim lokacijama bi postojala značajna varijabilnost unutarpopulacije (jer korisne mutacije pod utjecajem selekcije brzo se fiksiraju, a neutralne one prvo moraju "nasumce lutati" dulje vrijeme između nultog i sto posto frekvencije). Ta pretpostavka nije potvrđena.

4) Pomoću genetskog inženjeringa, autori su mogli izravno odrediti stupanj korisnosti 9 mutacija iz razmatranih 45. Te su mutacije umjetno uvedene u genom pretke. U osam slučajeva od devet, prilagodljivost bakterija dramatično se povećala.Što se tiče devete mutacije, autori smatraju da je također koristan, ali ne sam po sebi, već u kombinaciji s drugim mutacijama, jer je istovjetna ista mutacija ukorijenjena u drugim pokusnim populacijama. Za usporedbu, u drugom eksperimentu, slučajne mutacije su bile uvedene jedna po jedna u genom Escherichia coli, a niti jedna od 26 mutacija nije imala ni najmanje dobitke u fitnesu.

Dakle, za prvih 20.000 generacija, uglavnom korisne mutacije zabilježene su u populaciji, a njihova fiksacija nastavljena je konstantnom brzinom. Očigledno, usporavanje rasta kondicije je posljedica činjenice da se prosječni stupanj korisnosti mutacija postupno smanjivao. Najradikalnije prilagodljive promjene došle su tijekom prvih 2000.godina, a vjerojatno je došlo do suptilnije optimizacije fenotipa.

Do sada je to bila tek prva polovica eksperimenta. U drugoj polovici evolucijske dinamike eksperimentalnog stanovništva radikalno su se promijenile. Činjenica je da je nakon 26.000 generacija mutacija fiksirana u genu Mutt. Ovaj gen kodira protein koji je uključen u popravak DNA ("popravak"). Kao rezultat toga, učestalost mutacije dramatično se povećala.Kao rezultat, učestalost fiksacije mutacija povećana je za više od reda veličine. Tijekom druge polovice eksperimenta zabilježeno je 609 mutacija – 13,5 puta više nego u prvih 20.000 generacija.

Slične mutacije u njihovoj funkciji, koje su povećale brzinu mutageneze, bile su fiksirane u nekoliko drugih eksperimentalnih populacija. Iz toga slijedi da povećanje brzine mutageneze daje bakterijama prilagodljivu prednost. To, usput, proturječi zajedničkoj ideji da bi u stabilnim uvjetima bilo korisno za organizme da smanji stopu mutacije na nulu – a to se ne događa samo zbog tehničke nemogućnosti osiguranja apsolutne točnosti kopiranja DNA (vidi: V. P. Shcherbakov, 2005).

U "glavnoj" populaciji, ova mutacija se pojavila najkasnije u generaciji br. 26.500 (od tri testirana mikroba ove generacije, jedna mutacija i odsutna u dva). Počevši od generacije br. 29.000, mutacija je počela dominirati u populaciji i, očigledno, uskoro nakon toga je fiksna, tj. Dosegla učestalost od 100%.

"Korisnost" mutacije koja je povećala brzinu mutageneze mogla bi se sastojati samo u činjenici da je povećala vjerojatnost nastanka novih korisnih mutacija nakon što je većina mogućnosti za "korisnu mutaciju" iscrpljena.No, kao nuspojava, intenziviranje mutageneze neizbježno je dovelo do povećanja broja štetnih i neutralnih mutacija.

Na temelju gore navedenog, moglo se očekivati ​​da će većina mutacija popravljivih biti neutralna, a ne korisna. Kao što se sjećamo, fiksiranje neutralnih mutacija u populaciji jednako je stopi mutageneze, bez obzira na veličinu populacije. Stopa mutacije u soju predaka E. coli bio je nizak, pa je stoga vrlo malo zabilježeno u prvih 20.000 generacija neutralnih mutacija. Genska mutacija džukela povećala je stopu mutacije za oko 70 puta (od 1,6 x 10-10 do 1,1 × 10-8 po nekoliko nukleotida po generaciji). Niz statističkih testova koje su koristili autori potvrdili su pretpostavku da je većina 609 "kasnih" mutacija neutralna.

Iz nekog razloga, članak ne kaže kako se kondicija bakterija promijenila u drugoj polovici eksperimenta.

Biolozi aktivno koriste rezultate usporedbe genoma kako bi rekonstruirali putove i stope evolucije organizama. Do sada je ovo moralo biti uglavnom sadržajem matematičkih modela temeljenih na različitim više ili manje vjerojatnim pretpostavkama. Sada na kraju postoji mogućnost eksperimentalne verifikacije ovih modela.Prvi rezultati bili su uglavnom neočekivani. Na primjer, malo ljudi očekuje da konstantna stopa akumulacije korisnih mutacija može biti popraćena usporavanjem povećanja kondicije; ili da su takvi oštri skokovi mogući u omjeru stopa učvršćivanja neutralnih i korisnih mutacija. Glavni je zaključak da kvantitativni odnosi između različitih aspekata evolucijskog procesa (neutralnost i prilagodljivost, utjecaj pomaka i selekcije, stopa promjene na razini genotipa i fenotipa) mogu biti znatno složeniji, dvosmisljivi i promjenjivi nego što se prije mislilo.

izvor: Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski, Jihyun F. Kim. Dugoročni eksperiment s Escherichia coli priroda, 2009. V. 461. P. 1243-1247.

Na eksperimentalnoj studiji evolucije, također pogledajte:
1) Sposobnost za složeno kolektivno ponašanje može se pojaviti zbog jedne mutacije, "Elementi", 05/25/2006.
2) Mikrobiolozi kažu: multicelularnost je čvrsta muljaža, "Elementi", 06.04.2007.
3) Početne faze specicije reproducirane su u pokusu na kvasac, "Elementi", 06.06.2007.
4) Jedan gen je dovoljan za speciation, "Elements", 28. studenog 2007.
5) Amoebas-mutanti ne dopuštaju da budu prevareni, "Elementi", 10/06/2009.
6) Pokusi na crvima pokazali su da su muškarci korisna stvar, "Elementi", 10.23.2009.

Aleksandar Markov


Like this post? Please share to your friends:

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