U dugoročnom evolucijskom eksperimentu otkriven je izbor za "evolucijsku perspektivu" • Alexander Markov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Genetika, evolucija

U dugoročnom evolucijskom eksperimentu otkriva se selekcija za “evolucijsku perspektivu”.

Richard Lensky (drugo desno u stražnjem redu) i njegove kolege označavaju pedeset tisućinu generacija dugoročnog evolucijskog eksperimenta. Veljača 2010. Fotografije iz myxo.css.msu.edu

Tijekom dugogodišnjeg evolucijskog eksperimenta na bakterijama E. coli pokazuje sposobnost prirodne selekcije da podupre mutacije koje ne daju najveći doprinos "ovdje i sada", ali pružaju najbolje mogućnosti za daljnju evoluciju. Utvrđeno je da mutacije s jakim pozitivnim učinkom, osiguravajući brzo postizanje reproduktivne prednosti, mogu smanjiti evolucijski potencijal, čime naknadne mutacije postaju manje korisne. Kao rezultat toga, konačna "pobjeda" u evolucijskom natjecanju mogu ići organizmi koji su u početku izgubili svoje konkurente. Otkriće odražava paleontološke podatke, prema kojima je spor razvoj uravnoteženih kompleksnih adaptacija u dugoj vožnji "povoljan" nego brz razvoj učinkovitih, ali jednostranih prilagodbi.

"Elementi" već su govorili o jedinstvenom evolucijskom eksperimentu s bakterijom. Escherichia coli (E. coli), pokrenuli su 1988. američki istraživači pod vodstvom Richarda Lenskog; vidi: Rezultati jednog evolucijskog eksperimenta s duljinom od 40.000 generacija su sažeti (Elements, 2. studeni 2009). Jedna od mnogih prednosti ovog eksperimenta je da su neke od razvija bakterija povremeno zamrznute i pohranjene u ovom obliku za daljnja istraživanja. Zamrzavanje ne šteti zdravlju mikroba: u bilo kojem trenutku može se oživjeti i koristiti u eksperimentima. To otvara ogromne mogućnosti. Na primjer, može se izravno usporediti fitnes (= stopa rasta) živih bakterija koje se razvijaju u svojim tikvicama za više od 50.000 generacija pod nadzorom znanstvenika, s njihovim dalekim precima. Osim toga, svaki evolucijski događaj registriran tijekom eksperimenta može se više puta "ponovo reproducirati", odmrzavati odgovarajuće preci i promatrati hoće li se taj događaj ponovo pojaviti. To omogućuje razdvajanje slučajnih i nevjerojatnih događaja iz redova i vrlo vjerojatno.

U posljednjem broju časopisa znanost Lensky i njegovi kolege izvijestili su o zanimljivom novom rezultatu koji su dobili "ponovnim" evolucijom nekoliko redaka eksperimentalnih bakterija, zamrznuti nakon 500 generacija glavnog eksperimenta.Do tog vremena, nekoliko korisnih mutacija već se pojavilo u populaciji, koja je kasnije dosegla stopostotnu frekvenciju. Osim toga, u ovoj fazi eksperimenta, kao i na bilo kojoj drugoj fazi, postojali su vlasnici raznih manje uspješnih mutacija u populaciji, koja bi kasnije bila nadomjestakana. Eksperimentalne bakterije su lišene gena koji omogućuju razmjenu nasljednih materijala (populacija je "aseksualna"), stoga korisne mutacije koje su se pojavile u različitim mikroorganizmima ne mogu se kombinirati i kombinirati. To je omogućilo autima razlikovanje među smrznutim mikroorganizmima generacije br. 500 "budućih pobjednika" (eventualni pobjednici, EW) – bakterije s mutacijama koje su kasnije stekle stotinu posto učestalosti u populaciji i "budući gubitnici" (eventualni gubitnici, EL) – oni čiji su potomci kasnije su nestali iz populacije. Ispitivana su dva soja svakog tipa, tj. Samo četiri linije izvedene iz dvije EW bakterije i dvije EL bakterije.

Nefrozen "budući pobjednici" (EW) imali su korisne mutacije u genima topA i RBS, Prvi gen kodira enzim topoizomeraze (vidi topoizomerazu), koji pomaže u tkanju i ponovnom tkanju DNA dvostrukog spirala tijekom transkripcije (čitanje genetske informacije). Aktivnost raznih gena ovisi o svojstvima topoizomeraze. Drugi gen RBS – nije ni gen, nego cijeli operon (grupa usko postavljenih gena koji su regulirani i "čitani" zajedno), koji je odgovoran za asimilaciju riboze.

mutacija topA, karakteristično za "pobjednike", utječe na aktivnost mnogih gena i sam po sebi daje 13 posto dobitka u fitnesu u usporedbi s izvornim, preciznim bakterijskim sojem iz kojeg je pokus započeo. To je uspostavljeno korištenjem eksperimenata genetskog inženjeringa: predak je bio "transplantiran" na ovu mutaciju, bez mijenjanja ostatka genoma, i usporedio je konkurentnost modificiranog soja s izvornom. Sve mutacije u operonu RBS, podržani odabirom tijekom eksperimenta, su brisanja (precipitacija DNA segmenata), što daje dobit od 1-2%. Tijekom eksperimenta, bakterije su bile hranjene čistom glukozom, a ne ribozom, tako da bi gubitak dijela ribonskog operona mogao biti koristan jer je smanjio troškove stanice za sintezu višak proteina.

Jedan od dva soja "budućih gubitnika" (EL) nije imao nikakve korisne mutacije koje su znanstvenici poznavali (ovdje treba imati na umu da znanstvenici još uvijek nisu u stanju identificirati sve mutacije koje su se pojavile i podržane selekcijom tijekom dugotrajnog eksperimenta), a druga je imala mutaciju u operonu RBS, ali ne i isti kao i "pobjednici". Kasnije se ispostavilo da oba EL soja također imaju mutaciju u genu topA, koji nisu bili poznati i različiti od one koja je bila "pobjednici". Autori su ga identificirali. topA1, Također je korisno u sebi, ali poboljšava kondiciju ne za 13, već samo za 5%.

Za početak, autori su uspoređivali fitnes (stopu rasta) sojeva EW i EL. Čini se da bi prva kondicija trebala biti veća. Uostalom, oni imaju korisne mutacije koje su kasnije postale fiksne (dostigle su 100% frekvencije), dok EL nema takvih mutacija. Nadalje, poznato je da su potomci EW-a konačno osvojili evolucijsko natjecanje potomaka EL.

Neobično dovoljno, rezultat je bio suprotan. Utvrđeno je da EL sojevi imaju više od 20-23%, dok je EW 13-15% ispred predaka. Dakle, nakon 500 generacija evolucije u eksperimentalnim uvjetima, "budući gubitnici" bili su daleko ispred "budućih pobjednika" u njihovoj sposobnosti. To, naravno, znači da EL ima neke korisne mutacije koje znanstvenici još nisu mogli identificirati, a korisni učinak ovih mutacija nadilazi prednosti koje donose poznate mutacije. topA i RBS.

Autori su izračunali da ako EL-ova reproduktivna prednost nad EW, promatrana nakon 500. generacije, i dalje postoji, onda bi EL trebala potpuno zamijeniti EW u oko 350 generacija, tj. Do 850. generacije. Kao što znamo, to se nije dogodilo. Suprotno se dogodilo: potomci EW protjerali su potomke EL. Očito, potomci EW-a uspjeli su steći nove korisne mutacije u manje od 350 generacija, što im je omogućilo da pobune potomke EL u evolucijskom natjecanju. Naravno, postavlja se pitanje: zašto potomci EL-a nisu stekli slične mutacije, jer imali su točno jednaku količinu vremena za to?

Autori sugeriraju da rješenje može biti u različitim učincima mutacija koje postoje u EW i EL na daljnjim evolucijskim perspektivama. Učinci mutacija mogu utjecati jedni na druge; ovaj se fenomen naziva "epistasis" (vidi: epistasis, širenje proteinskog svemira nastavlja, "Elementi", 2010/05/24). Stupanj "korisnosti" mutacije nije apsolutan: ovisi o genetskom kontekstu. Na primjer, mutacija A može biti korisna u prisutnosti mutacije B, ali je štetna u odsutnosti (ili obratno). Može se pretpostaviti da korisne mutacije koje su omogućile brz rast fitnesa u EL tijekom prvih 500 generacija smanjile su sposobnost bakterija na daljnju prilagodljivu evoluciju.Na primjer, mogli bi napraviti neke druge, još neizvedene mutacije korisne u drugim genetskim kontekstima manje korisnim ili čak štetnim. Dakle, potomci EL-a, koji su imali takve mutacije, nisu bili podržani (ili prikazani) odabirom. Istodobno, one mutacije koje su bile ugrađene u prvih 500 generacija u EW-u bile su manje korisne u sebi, ali nisu zatvorile put za dobivanje drugih korisnih mutacija.

Da bi se testirala ova pretpostavka, autori su postavili nekoliko duhovitih eksperimenata. U prvom, ispalo je koliko će korisno biti prosječna prva korisna mutacija?koji su se pojavili tijekom evolucije potomaka sojeva EW i EL. Da bi se to učinilo, točke mutacija su uvedene u genome bakterija svakog od četiri soja, koji mijenjaju stanje gena Araodgovoran za slom arabinoznog šećera. Kao rezultat toga, unutar svakog soja dobiveni su oblici koji su sposobni i nisu u stanju cijepati arabinozu (Ara+ i ara). Ovo je prikladan fenotipski marker, dugo korišten od strane autora tijekom dugoročnog evolucijskog eksperimenta. Ara bakterije+ i ara lako je međusobno razlikovati dodavanjem arabinoze i posebne boje u medij: Ara kolonije bakterija dok postaje crvena, Ara+ – bijela. Status gena Ara ne utječe na sposobnost bakterija u eksperimentu.

Ara bakterije+ i ara iz istog soja (EW1, EW2, EL1 ili EL2) pomiješani su u omjeru 50:50 i ostavljeni da se razvijaju pod istim uvjetima kao u glavnom eksperimentu. Štoviše, u svakoj generaciji određen je omjer Ara bakterija.+ i ara, Sve dok nema korisnih mutacija u populaciji koja se razvija, taj je omjer ostao blizu 50:50 (došlo je do malih slučajnih fluktuacija te veličine). Ali čim se pojavila prva korisna mutacija, situacija se dramatično promijenila. Trik ovdje je da se svaka korisna mutacija u početku pojavljuje u jednoj bakteriji. Ili "sretan" Ara bakterija+bilo ara, Potomci bakterije s korisnom mutacijom počinju se brzo razmnožavati, pa prema tome udio bijelih ili crvenih mikroba počinje rasti u populaciji (točnije, mikroorganizmi koji tvore bijele ili crvene kolonije na odgovarajućem mediju). Istodobno, znanstvenici dobivaju istodobno dvije jedinstvene prilike: 1) s velikom točnošću kako bi uhvatila trenutak prve korisne mutacije, 2) procijenio stupanj njegove korisnosti brzinom kojom omjer Ara+/ Ara odstupiti od izvornika.

Treba naglasiti da je riječ samo o tome prvi korisna mutacija. Dok korisna mutacija, podržana selekcijom, je samo jedan, omjer Ara+/ Ara ostavlja izvorno stanje (50:50) eksponencijalno, a cijela se situacija može analizirati pomoću prilično jednostavne matematike. Čim se pojavi druga korisna mutacija, slika se odmah mijenja i postaje prekomplicirana za analizu.

Za svaki od četiri soja, evolucijski eksperiment je "pomaknut" 10 puta, dobivši ukupno 40 grafikona promjena u omjeru Ara+/ Ara u vremenu. Istovremeno, autori su dobili 40 eksperimentalnih linija umjesto izvornih 4.

Koristeći ovu veličanstvenu tehniku, autori su pokazali da je brzina (vjerojatnost) izgleda korisnih mutacija u EW i EL linijama jednaka, međutim prosječni uslužni program prva korisna mutacija koja nastaje u sojevima EW je znatno veća od EL. Drugim riječima, eksponencijalno povećanje ili smanjenje omjera Ara+/ Ara u EW, u prosjeku, bili su brži nego u EL, sve dok se pojavi druga korisna mutacija, koja je "zamaglila" sliku. U EW, prva korisna mutacija povećala je kondiciju u prosjeku za 6%, au EL, za samo 4%.To potvrđuje pretpostavku da je "genetski kontekst" u sojevima EW povoljniji za naknadnu adaptivnu evoluciju nego u EL sojevima. Naravno, korisne mutacije koje su se pojavile tijekom ovih 40 eksperimenata bile su različite, a ne u svim slučajevima autori su bili u mogućnosti identificirati ih.

Rezultati pokusa u kojima je utvrđen prosječni stupanj korisnosti prve korisne mutacije u EL sojevima (na lijevoj strani) i EW (s desne strane). Rezultati 10 pokusa za svaki soj. Duž horizontalne osi – broj generacija na okomici – log udio Ara/ Ara+, Što je brža linija gore ili dolje od izvornog (nula) razine, to je koristan mutacija. Može se vidjeti da soja EW ima prosječni mutancijski učinak veći od EL (linije se trče brže). Slika iz raspravljanog članka u znanost

Međutim, nakon dobivanja jedne korisne mutacije, sojevi EW i dalje su u prosjeku bili manje prilagodljivi od EL sojeva, iako je jaz između njih sužen (od 6,3% do 4,5%).

Razumjeti kako je logično konačna "pobjeda" EW u izvornom eksperimentu, autori su dopustili da se svih 40 redaka dobivenih tijekom prethodnog iskustva razviju preko 883 generacije.Nakon toga, njihova je kondicija uspoređena u izravnim natjecateljskim eksperimentima. Ispalo je da je EW sada prosječno 2,1% više nego EL. To znači da njihova pobjeda nije bila nesreća, već logična posljedica višeg "evolutivnog potencijala". Istina, autori naglašavaju da ovaj zaključak nije apsolutan: ima statistički karakter. Nisu svi EW potomci nakon 883 generacije bili više prilagođeni eksperimentalnim uvjetima nego bilo koji od EL potomaka. To je, naravno, prosječni rezultat.

Autori su mogli dešifrirati jedan specifičan primjer međusobnog utjecaja mutacija (epistasis), koji je, očigledno, omogućio konačni dobitak EW-a. Pokazalo se da je u 6 od 20 linija EW potomaka 883 generacija imalo korisne mutacije u genu mjesto – višenamjenski regulator aktivnosti gena. Mutacija u ovom genu je također fiksirana u glavnom dugoročnom eksperimentu. Međutim, niti jedan od 20 redaka potomaka EL nije mutacija u genu mjesto nije fiksno. Uz pomoć eksperimenata u genetskom inženjerstvu bilo je moguće pokazati mutaciju mjestofiksirana u glavnom eksperimentu, pokazala se korisnom u kombinaciji s mutacijom topAkarakterističan za sojeve EW, ali ne donosi nikakve koristi u kombinaciji s mutacijom topA1karakteristična za EL.

Ispada da je evolucijska staza koju su proveli EL bakterije, iako im je pružila prednost u ranoj fazi pokusa, pokazala se manje obećavajućima – posebice zato što je bakterijama oduzela priliku da poboljšaju njihovu sposobnost stjecanjem mutacija u genu licu mjesta.

Dakle, autori su mogli pokazati da dugoročno vjerojatnost fiksacije mutacije u populaciji može ne samo ovisiti o izravnom učinku ove mutacije na fitnes "ovdje i sada", već i na njezin utjecaj na evolucijske perspektive, to jest po vjerojatnosti , da će bilo kakve druge mutacije koje se mogu pojaviti u budućnosti, korisne. Kao rezultat toga, linije, koje su prvo rasprsle u evolucijskoj "rasi", u konačnici mogu izgubiti. Naravno za to je neophodno da zaostaju, ali obećavajuće linije uspijevaju steći dodatne korisne mutacije prije nego što ih potpuno zamijene uspješniji konkurenti..

Rezultati se odražavaju na regularnost koju je paleontolog V. O. Kovalevsky primijetio u 19. stoljeću, koji je proučavao evoluciju papkara (vidi: prilagodba). Fosilna kronika pokazuje dosta primjera kako, od dvije konkurentske skupine koje su se pojavile otprilike u isto vrijeme, prvo uspije, ali onda ga zamjenjuje druga. Istodobno, prilagodljiva evolucija u obje skupine nastavlja se u istom smjeru. U skupini koja je prvi uspjela, ključni uređaji (u ungulates, prvenstveno o strukturi kostura stopala i ruku) razvijaju se brže, ali izgledaju više "jednostrano", površno, neuravnoteženo. U drugoj skupini, koja u početku zauzima podređeni položaj, slične prilagodbe se razvijaju sporije, ali na kraju postaju "složenije", uravnotežene i dublje (vidi: A.P. Rasnitsyn, Ulaženje i evapadiranje). Ovaj obrazac tradicionalno je objašnjen na temelju općih ideja o "kompromisnoj" prirodi evolucije. Svaka adaptacija se kupuje po cijeni ograničenih mogućnosti za razvoj nekih drugih adaptacija.Brzo stečena "kozmetička" adaptacija može blokirati put za daljnje poboljšanje, tako da se cijela staza konačno ispostavlja kao mrtva točka. Sada vidimo kako ovaj uzorak može raditi na molekularnoj genetskoj razini.

izvor: Robert J. Woods, Jeffrey E. Barrick, Tim F. Cooper, Utpala Shrestha, Mark R. Kauth, Richard E. Lenski. Odabir drugog reda za evoluciju u velikoj populaciji Escherichia coli // znanost, 2011. V. 331. P. 1433-1436.

Vidi također:
Rezultati evolucijskog eksperimenta s dužinom od 40.000 generacija, Elementi, 02.11.2009.

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