Конструктивная нейтральная эволюция (CNE) — это теория, которая пытается объяснить, как сложные системы могут развиваться посредством нейтральных переходов и распространяться в популяции посредством случайной фиксации ( генетического дрейфа ). [1] Конструктивная нейтральная эволюция является конкурентом как адаптационистских объяснений возникновения сложных признаков, так и гипотез, утверждающих, что сложный признак возник как ответ на вредное развитие организма. [2] Конструктивная нейтральная эволюция часто приводит к необратимой или «непоправимой» сложности [3] и порождает системы, которые вместо того, чтобы быть точно адаптированными для выполнения задачи, представляют собой чрезмерную сложность, которую описывали такими терминами, как «безудержная бюрократия» или даже « машина Руба Голдберга ». [4]
Основы концепции CNE были заложены в двух статьях в 1990-х годах, хотя впервые они были явно предложены Арлином Штольцфусом в 1999 году. [1] [2] [5] Первые предположения о роли CNE касались эволюционного происхождения сложных макромолекулярных структур. такие машины, как сплайсосома , механизм редактирования РНК , дополнительные рибосомальные белки, шапероны и многое другое. [4] [6] [7] С тех пор, как новое направление исследований в области молекулярной эволюции , [8] CNE был применен к более широким особенностям биологии и истории эволюции , включая некоторые модели эукариогенеза , возникновение сложных взаимозависимостей в микробных организмах . сообщества и образование de novo функциональных элементов из нефункциональных транскриптов мусорной ДНК . [9] [10] Некоторые подходы предлагают сочетание нейтрального и адаптивного вклада в эволюционное происхождение различных черт. [11]
Многие биологи-эволюционисты утверждают, что CNE должна быть нулевой гипотезой при объяснении возникновения сложных систем, чтобы избежать предположения, что признак возник для адаптивного преимущества. Черта могла возникнуть нейтрально, даже если позже была использована для выполнения другой функции. Этот подход подчеркивает необходимость строгой демонстрации адаптивных объяснений при описании возникновения черт. Это позволяет избежать «адаптационистской ошибки», которая предполагает, что все признаки возникают потому, что им адаптивно благоприятствует естественный отбор . [9] [12]
Концептуально существует два компонента A и B (например, два белка), которые взаимодействуют друг с другом. А, выполняющий функцию для системы, по своей функциональности не зависит от ее взаимодействия с Б, а само взаимодействие могло возникнуть случайно у индивида со способностью исчезать без влияния на приспособленность А. Это еще присутствует Поэтому ненужное в настоящее время взаимодействие называется «избыточной мощностью» системы. Затем может произойти мутация, которая ставит под угрозу способность А выполнять свою функцию независимо. Однако уже возникшее взаимодействие A:B поддерживает способность A выполнять свою первоначальную функцию. Таким образом, возникновение взаимодействия A:B «подавляет» вредную природу мутации, делая ее нейтральным изменением в геноме, способным распространяться среди популяции посредством случайного генетического дрейфа. Следовательно, A приобрел зависимость от своего взаимодействия с B. [13] В этом случае потеря B или взаимодействия A:B будет иметь негативное влияние на приспособленность, и поэтому очищающий отбор приведет к исключению особей, где это происходит. Хотя каждый из этих этапов индивидуально обратим (например, A может восстановить способность функционировать независимо или взаимодействие A:B может быть потеряно), случайная последовательность мутаций имеет тенденцию еще больше снижать способность A функционировать независимо, и случайная Прохождение через пространство зависимостей вполне может привести к конфигурации, в которой возвращение к функциональной независимости A маловероятно, что делает CNE однонаправленным или «храповым» процессом. [14]
Модели систематической комплексификации CNE могут в решающей степени полагаться на некоторую систематическую предвзятость при генерации вариаций. Это объясняется относительно исходного набора моделей CNE следующим образом: [1]
В случаях скремблирования генов и панредактирования РНК, а также при фрагментации интронов исходное состояние системы (нескремблированное, неотредактированное, нефрагментированное) является уникальным или редким по отношению к некоторому обширному набору комбинаторных возможностей (зашифрованное, отредактированное, нефрагментированное). фрагментированы), что может быть достигнуто путем мутации и (возможно, нейтральной) фиксации. Возникающая в результате системная предвзятость приводит к отходу от невероятного начального состояния к одному из многих альтернативных состояний. В модели редактирования мутационное смещение удаления:вставки играет второстепенную роль. В модели дупликации генов, а также при объяснении потери самосплайсинга и происхождения белковых зависимостей при сплайсинге предполагается, что мутации, снижающие активность, сродство или стабильность, встречаются гораздо чаще, чем мутации с противоположным эффектом. . Возникающая в результате направленность состоит в том, что дублирующиеся гены подвергаются снижению активности, а интроны теряют способность к самосплайсингу, становясь зависимыми от доступных белков, а также транс-действующих фрагментов интронов.
То есть некоторые модели имеют компонент долгосрочной направленности, отражающий систематические отклонения в вариациях. Популяционно-генетический эффект предвзятости в процессе внедрения, который появился в виде вербальной теории в первоначальном предложении CNE [1] , позже был сформулирован и формально продемонстрирован [15] (см. «Смещение при введении вариаций »). Эффект такого рода не требует нейтральной эволюции, что подтверждает предположение [1] о том, что компоненты моделей CNE можно рассматривать в общей теории комплексификации, не связанной конкретно с нейтральностью.
Случай CNE – это субфункционализация . Концепция субфункционализации заключается в том, что один исходный (предковый) ген дает начало двум паралогичным копиям этого гена, причем каждая копия может выполнять только часть функции (или подфункции) исходного гена. Сначала ген подвергается событию дупликации гена . Это событие создает новую копию того же гена, известную как паралог. После дупликации в обеих копиях гена накапливаются вредные мутации. Эти мутации могут поставить под угрозу способность гена производить продукт, который может выполнять желаемую функцию, или могут привести к полной утрате продукта одной из своих функций. В первом сценарии желаемая функция все же может быть выполнена, поскольку две копии гена вместе (а не только одна) все еще могут производить достаточный продукт для этой работы. Теперь организм зависит от наличия двух копий этого гена, которые являются слегка дегенеративными версиями своего предка. Во втором сценарии гены могут подвергнуться мутациям, в результате которых они потеряют дополнительные функции. Другими словами, один белок может потерять только одну из своих двух функций, тогда как другой белок теряет только другую из двух своих функций. В этом случае два гена теперь выполняют только отдельные подфункции исходного гена, и организм зависит от наличия каждого гена для выполнения каждой отдельной подфункции. [1] [16]
Паралоги, которые функционально взаимодействуют для поддержания предковой функции, можно назвать «паралогичными гетеромерами». [17] Одно высокопроизводительное исследование подтвердило, что возникновение таких взаимодействий между паралогичными белками как одна из возможных долгосрочных судеб паралогов часто наблюдалось у дрожжей , и в том же исследовании также было обнаружено, что паралогичные гетеромеры ответственны за эукариотическое белок-белковое взаимодействие (PPI). ) сети. Одним из конкретных механизмов эволюции паралогичных гетеромеров является дупликация предкового белка, взаимодействующего с другими его копиями (гомомерами). Чтобы изучить роль этого процесса в происхождении паралогичных гетеромеров, было обнаружено, что онологи (паралоги, возникающие в результате полногеномных дупликаций), образующие паралогичные гетеромеры у Saccharomyces cerevisiae (почкующиеся дрожжи), с большей вероятностью будут иметь гомомерные ортологи, чем онологи у Saccharomyces cerevisiae (почкующиеся дрожжи). Шизосахаромицеты помбе . Подобные закономерности были обнаружены в сетях PPI человека и модельного растения Arabidopsis thaliana . [17]
Чтобы однозначно идентифицировать особенности как созданные посредством CNE, возможно несколько подходов. Основная идея CNE заключается в том, что функции, развившиеся посредством CNE, являются сложными, но не дают преимущества в приспособленности по сравнению с их более простыми предками. То есть произошло ненужное усложнение. В некоторых случаях филогения может использоваться для изучения наследственных версий систем и выяснения, были ли эти предковые версии проще, и если да, то происходило ли увеличение сложности с преимуществом в приспособленности (т. е. действовало ли как адаптация). Хотя сложно определить, насколько адаптивным было появление сложной функции, существуют некоторые методы. Если более сложная система оказывает те же последующие эффекты на своем биохимическом пути, что и предковая и более простая система, это говорит о том, что усложнение не влекло за собой какого-либо увеличения приспособленности. Этот подход проще при анализе сложных признаков, которые развились совсем недавно и таксономически ограничены в нескольких линиях, поскольку «производные признаки легче сравнивать с их сестрами и предполагаемыми предками». [18] Подход «золотого стандарта» для выявления случаев CNE включает прямое экспериментирование, в ходе которого реконструируются наследственные версии генов и систем и напрямую идентифицируются их свойства. [2] Первый пример этого включал анализ компонентов протонного насоса V-АТФазы в грибковых линиях. [18]
Системы редактирования РНК имеют неоднородное филогенетическое распределение, что указывает на то, что они являются производными признаками. Редактирование РНК требуется, когда перед трансляцией в геноме (чаще всего в митохондриях) необходимо отредактировать мРНК посредством различных замен, делеций и вставок. Молекулы-направляющие РНК, полученные из отдельных полукруглых нитей ДНК, обеспечивают правильную последовательность для комплекса редактирования РНК, чтобы внести соответствующие изменения. Комплекс редактирования РНК у Kinetoplastida может включать более 70 белков в некоторых таксономически ограниченных линиях и опосредовать тысячи изменений. Еще один таксономически ограниченный случай другой формы системы редактирования РНК обнаружен у наземных растений. В кинетопластидах редактирование РНК включает добавление тысяч нуклеотидов и удаление нескольких сотен. Однако необходимость этой весьма сложной системы сомнительна. Подавляющее большинство организмов не полагаются на системы редактирования РНК, а в тех, у которых они есть, необходимость в них неясна, поскольку оптимальным решением было бы, чтобы последовательность ДНК не содержала неправильные (или отсутствующие) нуклеотиды на нескольких участках. тысяч сайтов для начала. Более того, трудно утверждать, что система редактирования РНК возникла только в ответ и для исправления дефектного до такой степени генома, поскольку такой геном был бы очень вреден для хозяина и изначально был бы устранен путем очищающего (негативного) отбора . Однако сценарий, в котором примитивная система редактирования РНК возникла безвозмездно еще до внесения ошибок в геном, является более экономным. Как только появится система редактирования РНК, исходный митохондриальный геном сможет выдерживать ранее вредные замены, делеции и добавления без влияния на приспособленность. Как только произойдет достаточное количество этих вредных мутаций, у организма к этому моменту разовьется зависимость от системы редактирования РНК, которая точно исправит любые неточные последовательности. [4] [5]
Лишь немногие биологи-эволюционисты верят, что первоначальное распространение интронов по геному и среди множества генов могло служить эволюционным преимуществом для рассматриваемого организма. Скорее, распространение интрона в ген в организме без сплайсосомы было бы вредным, и очищающий отбор исключил бы особей, где это происходит. Однако если бы примитивная сплайсосома возникла до распространения интронов в геном хозяина, последующее распространение интронов не было бы вредным, поскольку сплайсосома была бы способна расщеплять интроны и, таким образом, позволять клетке точно транслировать транскрипт информационной РНК . в функциональный белок. [19] Считается, что пять малых ядерных РНК (мяРНК), которые расщепляют интроны из генов, происходят из интронов группы II , и поэтому вполне возможно, что эти интроны группы II сначала распространились и фрагментировались на «пять простых частей» в хозяина, где они образовали небольшие транс-действующие предшественники пяти современных и основных мяРНК, используемых в сплайсинге. Эти предшественники обладали способностью соединять другие интроны в последовательности генов, что затем позволяло интронам распространяться в гены без вредного воздействия. [11] [20]
В ходе эволюции появилось множество микробных сообществ, в которых отдельные виды не являются самодостаточными и требуют взаимного присутствия других микробов для производства необходимых для них питательных веществ. Эти зависимые микробы пережили «адаптационную потерю генов», получив возможность получать определенные сложные питательные вещества из окружающей среды вместо того, чтобы синтезировать их напрямую. По этой причине у многих микробов возникли сложные потребности в питании, которые не позволяют их культивировать в лабораторных условиях. Это сильно зависимое состояние многих микробов от других организмов похоже на то, как паразиты претерпевают значительное упрощение, когда их хозяева обеспечивают большое разнообразие их пищевых потребностей. Дж. Джеффри Моррис и соавторы объяснили это с помощью «гипотезы Черной Королевы». [21] В качестве коллеги У. Форд Дулитл и TDP Брюне предложили «гипотезу Серой Королевы», чтобы объяснить появление этих сообществ с помощью CNE. Первоначально потеря генов, необходимых для синтеза важных питательных веществ, будет вредной для организма и поэтому будет устранена. Однако в присутствии других видов, у которых эти питательные вещества находятся в свободном доступе, мутации, вызывающие дегенерацию генов, ответственных за синтез важных питательных веществ, больше не являются вредными, поскольку эти питательные вещества могут быть просто импортированы из окружающей среды. Таким образом, происходит «пресупрессия» вредной природы этих мутаций. Поскольку эти мутации больше не являются вредными, вредные мутации в этих генах свободно накапливаются и делают эти организмы теперь зависимыми от присутствия дополнительных микробов для удовлетворения своих потребностей в питании. Такое упрощение отдельных видов микробов в сообществе приводит к повышению сложности и взаимозависимости на уровне сообщества. [9]
CNE также был выдвинут в качестве нулевой гипотезы для объяснения сложных структур, и поэтому адаптационистские объяснения возникновения сложности должны быть тщательно проверены в каждом конкретном случае на соответствие этой нулевой гипотезе, прежде чем они будут приняты. Основания для использования CNE в качестве нулевого включают в себя то, что он не предполагает, что изменения предлагали адаптивную выгоду хозяину или что они были целенаправленно выбраны, сохраняя при этом важность более строгой демонстрации адаптации при вызове, чтобы избежать чрезмерных недостатков адаптационизм, подвергшийся критике со стороны Гулда и Левонтина. [12] [9] [22]
Юджин Кунин утверждал, что для того, чтобы эволюционная биология была строго «точной» наукой с прочной теоретической основой, необходимо включить нулевые гипотезы, а альтернативы должны фальсифицировать нулевую модель, прежде чем они будут приняты. В противном случае для объяснения какой-либо черты или особенности могут быть предложены «просто так» адаптивные истории. Для Кунина и других роль этого нуля играет конструктивная нейтральная эволюция. [12]