stringtranslate.com

Эксперимент по долгосрочной эволюции E. coli

12 популяций E. coli LTEE, 25 июня 2008 г. [1]

Эксперимент по долгосрочной эволюции E. coli ( LTEE ) — это продолжающееся исследование экспериментальной эволюции , начатое Ричардом Ленски в Калифорнийском университете в Ирвайне , проводимое Ленски и его коллегами из Мичиганского государственного университета [2] и в настоящее время контролируемое Джеффри. Э. Баррик в Техасском университете в Остине . [3] Он отслеживал генетические изменения в 12 изначально идентичных популяциях бесполых бактерий Escherichia coli с 24 февраля 1988 года. [4] Ленски выполнил 10-тысячный перенос эксперимента 13 марта 2017 года. [5] Популяции достигли более 73 000. поколений в начале 2020 года, незадолго до того, как они были заморожены из-за пандемии COVID-19. [6] В сентябре 2020 года эксперимент LTEE был возобновлен с использованием замороженных запасов. [7]

В ходе эксперимента Ленски и его коллеги сообщили о широком спектре фенотипических и генотипических изменений в развивающихся популяциях. К ним относятся изменения, произошедшие во всех 12 популяциях, а также изменения, произошедшие только в одной или нескольких популяциях. Например, все 12 популяций продемонстрировали одинаковую картину быстрого улучшения физической формы, которое со временем замедлялось, более высоких темпов роста и увеличения размера клеток. У половины популяций развились дефекты репарации ДНК, которые вызвали мутаторные фенотипы, отмеченные повышенной частотой мутаций. Самая поразительная адаптация, о которой сообщалось до сих пор, — это эволюция аэробного роста на цитрате , что необычно для E. coli , в одной популяции в какой-то момент между поколениями 31 000 и 31 500. [8] [9]

4 мая 2020 года Ленски объявил о продлении на 5 лет гранта в рамках программы долгосрочных исследований в области биологии окружающей среды (LTREB) Национального научного фонда, которая поддерживает LTEE. Он также объявил, что доктор Джеффри Э. Баррик, доцент кафедры молекулярных биологических наук Техасского университета в Остине, возьмет на себя руководство экспериментом в течение 5-летнего периода финансирования. [10] Время эксперимента в Университете штата Мичиган закончилось в мае 2022 года, когда популяция достигла 75 000 поколений, и эксперимент был перенесен в лабораторию Баррика. [11] [ неудачная проверка ] Эксперимент был возобновлен и возобновлен в лаборатории Баррика 21 июня 2022 года. [3]

Экспериментальный подход

Эксперимент по долгосрочной эволюции был задуман как неограниченное средство эмпирического изучения центральных особенностей эволюции . Эксперимент был начат с тремя основными целями:

  1. Изучить динамику эволюции, включая скорость эволюционных изменений.
  2. Исследовать повторяемость эволюции.
  3. Чтобы лучше понять взаимосвязь между изменениями на фенотипическом и генотипическом уровнях. [12]

По мере продолжения эксперимента его масштабы расширялись по мере возникновения новых вопросов в эволюционной биологии, для решения которых его можно использовать, поскольку эволюция популяций представила новые явления для изучения, а также по мере развития технологий и методологических методов. [13]

Использование E. coli в качестве экспериментального организма позволило изучить многие поколения и большие популяции за относительно короткий период времени. Более того, благодаря длительному использованию E. coli в качестве основного модельного организма в молекулярной биологии , стал доступен широкий спектр инструментов, протоколов и процедур для изучения изменений на генетическом, фенотипическом и физиологическом уровнях. [14] Бактерии также можно заморозить и сохранить, оставаясь при этом жизнеспособными. Это позволило создать то, что Ленски называет «замороженной летописью окаменелостей» образцов развивающихся популяций, которые можно возродить в любое время. Эта замороженная летопись окаменелостей позволяет возобновить популяцию в случае заражения или другого сбоя в эксперименте, а также позволяет изолировать и сравнивать живые экземпляры предковых и эволюционировавших клонов. Ленски выбрал штамм E. coli , который размножается только бесполым путем , лишен каких-либо плазмид , которые могли бы обеспечить бактериальную конъюгацию , и не имеет жизнеспособного профага . Как следствие, эволюция в эксперименте происходит только за счет основных эволюционных процессов мутации , генетического дрейфа и естественного отбора . Эта строгая асексуальность также означает, что генетические маркеры сохраняются в линиях и кладах общего происхождения , но не могут иным образом распространяться в популяциях. [12]

Ленски решил провести эксперимент с бактериями, выращенными в среде с ограниченным содержанием глюкозы под названием DM25 [15] , которая основана на минимальной среде, разработанной Бернардом Дэвисом для использования при выделении ауксотрофных мутантов E. coli с использованием пенициллина в качестве селективного агента. . [16] [17] Для создания DM25 в минимальную среду добавляют глюкозу в низкой концентрации (25 мг/л). [15] Ленски выбрал эту концентрацию, чтобы упростить анализ эволюции популяций за счет уменьшения клональной интерференции , при которой в развивающейся популяции конкурируют несколько версий аллелей , а также уменьшения возможности развития экологических взаимодействий. [12] Эта концентрация используемой глюкозы поддерживает максимальную популяцию 500 миллионов клеток предка в культуре объемом 10 мл, хотя теперь максимум варьируется среди эволюционировавших популяций. [16] DM25 также содержит большое количество цитрата (примерно в 11 раз больше концентрации глюкозы), который первоначально был включен Дэвисом, поскольку он улучшал эффективность уничтожения пенициллина во время его экспериментов, хотя теперь известно, что он помогает при кишечной палочке . ' s приобретение железа из среды. [16] [18]

Методы

12 популяций содержатся в инкубаторе с температурой 37 °C (99 °F) в лаборатории Ленски в Университете штата Мичиган . Каждый день 1% каждой популяции переносят в колбу со свежей питательной средой DM25. Разбавление означает, что в каждой популяции ежедневно появляется 6,64 поколения или удвоение численности. Большие репрезентативные образцы каждой популяции замораживают с использованием глицерина в качестве криопротектора с интервалом в 500 поколений (75 дней). Бактерии в этих образцах остаются жизнеспособными и могут быть возрождены в любое время. Эта коллекция образцов называется «замороженной летописью окаменелостей» и представляет собой историю эволюции каждой популяции на протяжении всего эксперимента. Популяции также регулярно проверяются на предмет изменений средней приспособленности , и регулярно проводятся дополнительные эксперименты для изучения интересных изменений в популяциях. [19] По состоянию на апрель 2016 года популяции E. coli изучались на протяжении более 64 500 поколений, и считается, что они претерпели достаточное количество спонтанных мутаций , так что каждая возможная единичная точечная мутация в геноме E. coli произошла несколько раз. [8]

Основополагающий штамм

Штамм E. coli , который Ленски решил использовать в эксперименте по долгосрочной эволюции, был получен из «штамма B», как описано в статье Сеймура Ледерберга 1966 года (в которой этот штамм неправильно идентифицирован как «Bc251», хотя более поздний генетический анализ обнаружил вместо этого было «B») через Брюса Левина, который использовал его в эксперименте по бактериальной экологии в 1972 году. Определяющими генетическими признаками этого штамма были: T6 r , Str r , r − m − , Ara − (неспособный расти на арабинозе ). [4] Ленски обозначил первоначальный штамм как REL606. Перед началом эксперимента Ленски выделил вариант Ara + штамма, у которого точечная мутация в опероне ara восстановила рост на арабинозе, который он обозначил как штамм REL607. Начиная эксперимент по долгосрочной эволюции, Ленски основал шесть популяций с шестью отдельными колониями Ara - REL606. Эти популяции называются от Ara-1 до Ara-6. Ленски также основал еще шесть популяций из шести отдельных колоний Ara + REL607. Их называют популяциями от Ara+1 до Ara+6. Различия в маркерах позволяют дифференцировать штаммы на чашках с тетразолием арабинозой, на которых колонии Ara - кажутся красными, а колонии Ara + - от белого до розового. В ходе эксперимента каждая популяция накопила большое количество различных мутаций, что позволяет в дальнейшем идентифицировать штаммы по их исходной популяции. [ нужна цитата ]

Полученные результаты

Изменения в фитнесе

Хронология эксперимента по долгосрочной эволюции E. coli , показывающая взаимосвязь между годами и поколениями эволюции, а также важные события и открытия. [2] [20]

Значительная часть анализа эксперимента была посвящена тому, как изменилась приспособленность популяций к их предковой линии. Во всех популяциях наблюдалась тенденция быстрого увеличения относительной приспособленности в течение первых поколений, причем этот рост со временем замедлялся. К 20 000 поколениям популяция росла примерно на 70% быстрее, чем предковая линия. [12] Этот рост и замедление роста продолжались и в последующих поколениях. Исследование Wiser et al., проведенное в 2013 году. сообщили о продолжающемся улучшении на протяжении 50 000 поколений по сравнению с образцами, изолированными на протяжении 40 000 поколений. Они обнаружили, что увеличение приспособленности гораздо лучше соответствует степенной модели, чем гиперболическим моделям, которые использовались ранее. Поскольку модель степенного закона описывает постоянно замедляющийся рост, не имеющий верхнего предела, в то время как гиперболическая модель предполагает жесткий предел, работа предположила, что рост будет продолжаться без ограничений, поскольку в популяциях фиксируются все более низкие полезные мутации. [21] В дальнейшей работе, опубликованной в 2015 году, были представлены результаты более 1100 новых тестов фитнеса, в которых изучались изменения фитнеса на протяжении 60 000 поколений. Данные снова соответствуют предложенной степенной модели и, действительно, соответствуют предсказаниям модели на основе более ранних данных. Эти результаты показывают, что, вопреки предыдущему мнению, адаптация и адаптивная дивергенция потенциально могут увеличиваться бесконечно, даже в постоянной среде. [22] [23] [24]

Эволюция генома

Сообщается, что из 12 популяций у шести развились дефекты в способности восстанавливать ДНК , что значительно увеличивает скорость мутаций в этих штаммах. [9] [25] [26] Хотя считается, что бактерии в каждой популяции произвели сотни миллионов мутаций в течение первых 20 000 поколений, Ленски подсчитал, что за этот период времени только от 10 до 20 полезных мутаций достигли фиксации в каждой популяции. популяция с менее чем 100 общими точковыми мутациями (включая нейтральные мутации ), достигающими фиксации в каждой популяции. [12] В 2009 году Баррик и др. сообщили о результатах изучения последовательностей генома из нескольких моментов времени в популяции Ara-1. Они обнаружили, что, в отличие от снижения темпов улучшения физической формы, накопление мутаций было линейным и часовым, хотя некоторые данные свидетельствуют о том, что большая часть накопления была полезной, а не нейтральной. [27]

Эволюция увеличения размера клеток во всех двенадцати популяциях

Рост размеров клеток бактерий в эксперименте Ленского

Все двенадцать экспериментальных популяций демонстрируют увеличение размера клеток одновременно со снижением максимальной плотности популяции, а во многих популяциях - более округлую форму клеток. [28] Частично это изменение было результатом мутации, которая изменила экспрессию гена пенициллин -связывающего белка , что позволило мутантным бактериям вытеснить предковые бактерии в условиях долгосрочного эволюционного эксперимента. Однако, хотя эта мутация повысила приспособленность в этих условиях, она также увеличила чувствительность бактерий к осмотическому стрессу и снизила их способность выживать в течение длительных периодов времени в культурах стационарной фазы. [28]

Экологическая специализация

В ходе эксперимента популяции эволюционировали и стали специализироваться на ресурсе глюкозы, на котором они растут. Впервые это было описано в 2000 году, когда Купер и Ленски продемонстрировали, что все популяции испытали распад неиспользованных метаболических функций после 20 000 поколений, что ограничивает диапазон веществ, на которых могут расти бактерии. Их анализ показал, что этот распад произошел из-за антагонистической плейотропии , при которой мутации, улучшающие способность к росту на глюкозе, снижали или устраняли способность к росту на других веществах. [29] Более позднее исследование Лейби и Маркса, в котором использовались более продвинутые методы, показало, что большая часть распадов, выявленных Купером и Ленски, была экспериментальными артефактами, что потеря неиспользуемых функций была не такой обширной, как предполагалось на первый взгляд, и что некоторые неиспользуемые функции улучшились. . Более того, они пришли к выводу, что метаболические потери были вызваны не антагонистической плейотропией, а нейтральным накоплением мутаций в неиспользуемых частях генома, предполагая, что адаптация к простой среде не обязательно может привести к специализации. [30]

Эволюция сбалансированного полиморфизма и простых экосистем

Два различных варианта, S и L, были идентифицированы в популяции, обозначенной как Ara-2, в 18 000 поколениях на основании формирования ими малых и больших колоний соответственно. [31] Клоны типов S и L могли стабильно сосуществовать в совместной культуре друг с другом, что указывает на то, что они занимали отдельные ниши в популяции. Это было подтверждено обнаружением того, что тип L имел преимущество во время роста на глюкозе, но что тип S имел преимущество во время стационарной фазы, после того как глюкоза закончилась. Было обнаружено, что эти два типа первоначально развились до 6000 поколений, а затем сосуществовали после этого. [31] Филогенетический анализ клонов двух типов, выделенных из разных поколений, показал, что типы S и L принадлежали к разным, сосуществующим линиям в популяции и, возможно, подвергались зачаточному видообразованию. [32]

Эволюция использования аэробного цитрата в одной популяции

Фон

Популяция, обозначенная как Ara-3 (в центре), является более мутной , поскольку эта популяция эволюционировала, чтобы использовать цитрат , присутствующий в питательной среде. [33]

E. coli обычно не способна аэробно расти на цитрате из-за неспособности экспрессировать переносчик цитрата в присутствии кислорода. [34] Однако E. coli имеет полный цикл лимонной кислоты и поэтому метаболизирует цитрат в качестве промежуточного продукта во время аэробного роста на другие вещества, включая глюкозу. Большинство E. coli могут расти анаэробно на цитрате посредством ферментации , если доступен ко-субстрат, такой как глюкоза, обеспечивающий восстанавливающую способность. [8] [34] [35] [36] Анаэробный рост возможен благодаря экспрессии трансмембранного гена цитрат-сукцинатного антипортера, citT , который был впервые идентифицирован в 1998 году . Этот ген регулируется совместно с другими генами, участвующими в Цитратное брожение обнаружено на опероне cit , который включается только при отсутствии кислорода. [34] [37]

Неспособность аэробно расти на цитрате, называемая фенотипом Cit- , считается определяющей характеристикой E. coli как вида и является ценным средством дифференциации E. coli от патогенной сальмонеллы . Хотя штаммы Cit + E. coli были выделены из образцов окружающей среды и сельскохозяйственных культур, в каждом таком случае было обнаружено, что этот признак обусловлен наличием плазмиды, несущей чужеродный переносчик цитрата. [38] Об единственном спонтанном мутанте E. coli по Cit + сообщил Холл в 1982 году. [39] Этот мутант был выделен в ходе длительной селекции на рост на другом новом веществе в ростовом бульоне, который также содержал цитрат. Генетический анализ Холла показал, что основная мутация была сложной, но в конечном итоге он не смог определить точные изменения или задействованные гены, что привело его к выдвижению гипотезы об активации загадочного гена-переносчика. [39] Области генома, к которым Холлу удалось сузить расположение изменений, не соответствуют известному местоположению гена citT, выявленному 16 лет спустя, а физиологические характеристики в транспортных анализах мутантов Холла Cit + не соответствовали таковым следует ожидать для аэробной экспрессии транспортера CitT. [38] [40]

Cit + развивается в LTEE

В 2008 году команда Ленски под руководством Закари Д. Блаунта сообщила, что способность к аэробному росту на цитрате развилась у одной популяции. Примерно в поколении 33127 резкое увеличение мутности наблюдалось в популяции, обозначенной как Ара-3. Они обнаружили, что популяция содержала клоны, которые были способны аэробно расти на цитрате (Cit + ). Эта метаболическая способность позволила популяции вырасти в несколько раз больше, чем раньше, из-за большого количества цитрата, присутствующего в среде. Исследование замороженных образцов ископаемых популяций показало, что клоны Cit + можно было выделить уже в 31500 поколениях. Было обнаружено, что варианты Cit + в популяции обладают рядом генетических маркеров, уникальных для популяции Ara-3; это наблюдение исключило возможность того, что клоны были контаминантами, а не спонтанными мутантами. В серии экспериментов, которые «воспроизвели» ленту эволюции Ara-3 из клонов Cit - , выделенных из образцов, замороженных в различные моменты истории популяции, они продемонстрировали, что способность к аэробному росту на цитрате с большей вероятностью будет реэволюционировать. в подмножестве генетически чистых, эволюционировавших клонов. В этих экспериментах они наблюдали 19 новых независимых случаев реэволюции Cit + , но только начиная с клонов, изолированных от поколения после 20 000. Флуктуационные тесты показали, что клоны этого поколения и более поздние демонстрировали скорость мутаций по признаку Cit + , которая была значительно выше, чем наследственная частота. Даже в этих более поздних клонах частота мутаций Cit + была порядка одного случая на триллион клеточных делений. [8]

Ленски и его коллеги пришли к выводу, что эволюция функции Cit + в этой популяции возникла благодаря одной или нескольким более ранним, возможно, неадаптивным, «потенцирующим» мутациям, которые увеличили скорость мутаций до доступного уровня. Данные свидетельствуют о том, что использование цитрата вызвало как минимум две мутации, последовавшие за этими «потенциирующими» мутациями. В более общем плане авторы предполагают, что эти результаты, следуя аргументу Стивена Джея Гулда , указывают на то, что «историческая случайность может иметь глубокое и продолжительное влияние» на ход эволюции. [8] Эти результаты стали считаться важным примером влияния исторических обстоятельств на эволюцию. [16] [41] [42]

Геномный анализ признака Cit + и его значение для эволюционных инноваций

Признак Cit + был реализован посредством мутации дупликации, которая создала новый регуляторный модуль путем помещения копии гена citT , кодирующего цитрат-сукцинатный антипортер, под контроль промотора, поддерживающего экспрессию в аэробных условиях. Эта мутация приводит к тому, что транспортер CitT экспрессируется в присутствии кислорода, что обеспечивает рост на цитрате. [43]

В 2012 году Ленски и его команда сообщили о результатах геномного анализа признака Cit + , которые пролили свет на генетическую основу и историю эволюции этого признака. Исследователи секвенировали полные геномы двадцати девяти клонов, выделенных в разные моменты истории популяции Ара-3. Они использовали эти последовательности для реконструкции филогенетической истории популяции; эта реконструкция показала, что популяция разделилась на три клады за 20 000 поколений. Варианты Cit + развились в одну из них, которую они назвали кладой 3. Клоны, потенцирование которых было обнаружено в более ранних исследованиях, были распределены по всем трем кладам, но были чрезмерно представлены в кладе 3. Это привело исследователей к выводу что в эволюции Cit + участвовали по крайней мере две потенцирующие мутации . [9]

Исследователи также обнаружили, что все клоны Cit + имели мутации, при которых сегмент ДНК из 2933 пар оснований дублировался или амплифицировался. Дублированный сегмент содержал ген citT белка-переносчика цитрата, используемого при анаэробном росте на цитрате. Дублирование происходит тандемно, в результате чего копии располагаются лицом к хвосту по отношению друг к другу. Эта новая конфигурация помещает копию ранее молчащего, неэкспрессируемого citT под контроль промотора соседнего гена rnk , который управляет экспрессией в присутствии кислорода. Этот новый модуль rnk-citT создал новый механизм регуляции citT , активируя экспрессию переносчика цитрата при наличии кислорода и тем самым обеспечивая аэробный рост цитрата. [9]

Было показано, что перемещение этого модуля rnk-citT в геном потенцированного клона Cit - достаточно для образования фенотипа Cit + . Однако первоначальный фенотип Cit + , полученный в результате дупликации, был очень слабым и давал улучшение приспособленности только на ~1%. Исследователи обнаружили, что количество копий модуля rnk-citT необходимо увеличить, чтобы усилить признак Cit + в достаточной степени, чтобы бактерии могли хорошо расти на цитрате. Дальнейшие мутации после того, как бактерии Cit + стали доминировать в популяции, продолжали накапливать улучшенный рост на цитрате. [ нужна цитата ]

Исследователи пришли к выводу, что эволюция признака Cit + происходила в три отдельные фазы: (1) накапливались мутации, которые увеличивали скорость мутаций в Cit + , (2) сам признак проявлялся в слабой форме и (3) признак был улучшен более поздними мутациями. Блаунт и др. предположил, что эта закономерность может быть типичной для развития новых черт в целом, и предложил трехэтапную модель эволюционных инноваций:

  1. Потенцирование : развивается генетический фон, в котором признак становится доступным для мутации, что делает возможной эволюцию признака.
  2. Актуализация : происходит мутация, которая производит признак, проявляя его, хотя, вероятно, в слабой форме.
  3. Уточнение : как только признак существует, если он обеспечивает селективную выгоду, будут накапливаться мутации, которые улучшат признак, делая его эффективным. Эта фаза бессрочна и будет продолжаться до тех пор, пока возникают уточняющие мутации и признак остается полезным. [9] [16]

Эта модель нашла признание в эволюционной биологии. В 2015 году палеонтолог Дуглас Эрвин предложил модификацию четырехэтапной модели, чтобы лучше отразить возможное различие между эволюционной новизной и эволюционными инновациями, а также подчеркнуть важность условий окружающей среды: потенциация, генерация новых фенотипов (актуализация), адаптивное уточнение и эксплуатация (превращение новинки в инновацию, поскольку она становится важной для экологического становления обладающих организмов). [44]

Исследование потенциации

В 2014 году исследовательская группа под руководством Эрика Квандта в лаборатории Джеффри Баррика в Техасском университете в Остине описала применение нового метода под названием «Рекурсивная полногеномная рекомбинация и секвенирование» (REGRES) для выявления потенцирующих мутаций среди 70 присутствующих в Ara. -3 линия, которая развилась Cit + . [45] В этом методе использовалось несколько этапов процесса, в котором конъюгация на основе F-плазмиды между клоном Cit + 33 000 поколения , CZB154, и клоном-основателем Cit - LTEE для очистки мутаций, не необходимых ни для проявления слабой, ни для сильной формы. признака Cit + , последний называется Cit ++ . Они обнаружили, что модуля rnk-citT , ответственного за фенотипическое переключение на Cit +, было достаточно, чтобы создать слабый фенотип Cit + у предка. Они также идентифицировали мутацию, которая произошла в линии, ведущей к CZB154, после начальной эволюции Cit + , которая обеспечила сильный фенотип Cit ++ у предка, отсутствующий какой-либо мутации, кроме модуля rnk-citT . Эта мутация, обнаруженная в регуляторной области гена под названием dctA , вызвала значительное увеличение экспрессии транспортера DctA , который импортирует C 4 -дикарбоксилаты в клетку. Они обнаружили, что повышенная экспрессия DctA позволяет клеткам Cit + повторно поглощать сукцинат , малат и фумарат , высвобождаемые в среду транспортером CitT во время импорта цитрата. Они идентифицировали аналогичную мутацию в клонах Cit ++ в популяции Ara-3, которая увеличивала экспрессию DctA за счет восстановления функции регулирующего ее гена, dcuS , который был деактивирован в предковом клоне. Квандт и др. пришли к выводу, что мутация dctA участвует не в потенцировании, а в усовершенствовании. Это привело их к предположению, что эволюция Cit + в популяции Ara-3 могла зависеть от генетического фона и специфичной для популяции экологии, которая позволяла ранним, слабым вариантам Cit + сохраняться в популяции достаточно долго для возникновения уточняющих мутаций. и сделать рост на цитрате достаточно сильным, чтобы обеспечить значительную пользу для фитнеса. [ нужна цитата ]

Позже Квандт и его коллеги опубликовали результаты, окончательно идентифицирующие мутацию, которая действительно усиливала эволюцию Cit + . [46] Эта мутация произошла в гене gltA , который кодирует цитратсинтазу , фермент, участвующий в поступлении углерода в цикл лимонной кислоты . Он имел эффект увеличения активности цитратсинтазы, и они показали, что это способствует улучшению роста на ацетате . Более того, с мутацией gltA модуль rnk-citT , вызывающий признак Cit + , оказывает нейтральный или слегка полезный фитнес-эффект, в то время как без него модуль был сильно вреден. Таким образом, мутация gltA, по-видимому, позволила ранним, слабым вариантам Cit + сохраняться в популяции до тех пор, пока не могли произойти более поздние уточняющие мутации, что согласуется с их более ранними выводами. После того как развился сильный фенотип Cit ++ , повышенная активность цитратсинтазы стала вредной. Исследователи обнаружили, что более поздние мутации gltA противодействуют первой мутации, снижая активность цитратсинтазы и еще больше улучшая рост цитрата. Они пришли к выводу, что серия мутаций gltA сначала усиливает, а затем улучшает рост цитрата. Они также предположили, что линия, в которой возник Cit +, могла занять нишу в Ara-3, основанную на росте на ацетате, и что потенцирующие мутации, которые привели к эволюции Cit + в Ara-3, изначально были адаптивными к использованию ацетата. [ нужна цитата ]

Исследование пост-Cit + экологии и устойчивого разнообразия

Небольшая субпопуляция клеток Cit - , не способных расти на цитрате и принадлежащих к отдельной кладе, сохранялась в популяции после того, как клетки Cit + стали доминантными. Ранние результаты показали, что это разнообразие частично объясняется тем, что клетки Cit- лучше растут на глюкозе в среде. [8] Тернер и др. позже обнаружили, что еще одним фактором, лежащим в основе сосуществования, было то, что клетки Cit - развили способность перекрестно питаться большинством клеток Cit + . Они показали, что клетки Cit + выделяют сукцинат , малат и фумарат во время роста на цитрате, поскольку транспортер CitT выкачивает эти вещества из клетки, одновременно перекачивая цитрат в клетку. Клетки Cit- быстро развили способность расти на этих веществах благодаря мутации, которая восстановила экспрессию соответствующего белка-транспортера, который молчал у предка. [47]

Субпопуляция Cit - в конечном итоге вымерла в популяции между 43 500 и 44 000 поколениями. Было показано, что это вымирание не произошло из-за того, что большинство Cit + развилось, чтобы иметь возможность вторгнуться в нишу, занятую меньшинством Cit - . Действительно, клоны Cit - могли проникнуть в популяции Cit + после вымирания. Более того, в эксперименте, в котором они перезапустили двадцать повторений популяции Ara-3 из образца, замороженного за 500 поколений до вымирания, Turner et al. обнаружили, что субпопуляция Cit - не вымерла ни в одной из реплик после 500 поколений эволюции. Одна из этих реплик продолжалась в течение 2500 поколений, в течение которых Cit - продолжал сосуществовать. Исследователи пришли к выводу, что исчезновение Cit − произошло из-за какого-то неизвестного «редкого возмущения окружающей среды», подобного тому, которое может повлиять на естественные популяции. [48] ​​Последний экземпляр был интегрирован в основной эксперимент LTEE, став тринадцатой популяцией, Ara-7. [49]

Различные интерпретации результатов

Другие исследователи экспериментировали с развитием аэробной цитратной кишечной палочки . Дастин Ван Хофвеген и др. смогли изолировать 46 независимых мутантов E. coli , использующих цитрат , всего за 12–100 поколений, используя длительную селекцию в условиях голодания, в ходе которой бактерии быстрее получали больше мутаций. [50] В их исследовании секвенирование геномной ДНК выявило амплификацию локусов citT и dctA , а реаранжировка ДНК представляла собой тот же класс мутаций, которые были выявлены в эксперименте Ричарда Ленски и его команды. Они пришли к выводу, что редкость мутанта, использующего цитрат, в исследовании Ленски, скорее всего, была результатом выборочных экспериментальных условий, использованных его командой, а не уникальным событием эволюционного видообразования. [50]

Джон Рот и Софи Мэнье-Патен рассмотрели подходы как к отсроченным мутациям группы Ленски, так и к быстрым мутациям группы Ван Хофвегена в E. coli . Они утверждают, что обе команды наблюдали одну и ту же последовательность усиления, актуализации и усовершенствования, приводящую к схожим вариантам Cit + . [51] По их мнению, период Ленски продолжительностью менее суток, в течение которого использование цитрата будет подвергаться отбору, за которым следует 100-кратное разведение, и период роста на глюкозе, который не будет отбирать использование цитрата; в конечном итоге снизила вероятность того, что E. coli сможет накапливать ранние адаптивные мутации от одного периода селекции к другому. [51] Напротив, команда Ван Хофвегена допускала непрерывный период отбора в 7 дней, что привело к более быстрому развитию E. coli , использующей цитрат . Рот и Менье-Патен предполагают, что серийное разведение E. coli и короткий период отбора на использование цитрата в условиях LTEE постоянно препятствовали достижению каждым поколением E. coli следующих стадий аэробного использования цитрата. [51]

Ленски утверждает, что проблема не в экспериментах или данных, а в интерпретациях, сделанных Ван Хофвегеном и др. и Менье-Патен и Рот. [52] По его словам, быстрая эволюция Cit + не обязательно была неожиданной, поскольку его команда также смогла произвести несколько мутантов Cit + за несколько недель в ходе повторных экспериментов. [53] Он утверждает, что LTEE не был разработан для изоляции мутантов, использующих цитрат, или для борьбы с видообразованием, которое является процессом, а не событием. Более того, он утверждал, что эволюция Cit + в LTEE зависела от мутаций, которые накопились ранее. [53]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ↑ Пенниси, Элизабет (14 ноября 2013 г.). «Человек, который закупорил эволюцию». Наука . 342 (6160): 790–793. Бибкод : 2013Sci...342..790P. дои : 10.1126/science.342.6160.790. ПМИД  24233702.
  2. ^ АБ «Фотографии». Лаборатория Блаунта . Проверено 28 мая 2016 г.
  3. ^ аб Баррик, Джеффри (21 июня 2022 г.). «Начало LTEE в UT в Остине». Эксперимент долгосрочной эволюции . Проверено 22 июня 2022 г.
  4. ^ Аб Ленски, Ричард Э. (2000). «Источник основополагающего штамма». Домашняя страница Ричарда Э. Ленски . Мичиганский государственный университет. Архивировано из оригинала 31 мая 2018 г. Проверено 18 июня 2008 г.
  5. ^ «Некоторые морщины во времени» . Возвращение к Теллиамеду . 13 марта 2017 г. Проверено 13 марта 2017 г.
  6. ^ Ленски, Ричард Э. (09 марта 2020 г.). «Мы прерываем этот ужасный вирус хорошими новостями о бактериях». Возвращение к Теллиамеду . Проверено 27 мая 2021 г.
  7. ^ «Они вернулись!». Возвращение к Теллиамеду . 22 сентября 2020 г. Проверено 17 июня 2021 г.
  8. ^ abcdef Блаунт, Закари Д.; Борланд, Кристина З.; Ленски, Ричард Э. (2008). «Историческая случайность и эволюция ключевой инновации в экспериментальной популяции Escherichia coli». Труды Национальной академии наук . 105 (23): 7899–906. Бибкод : 2008PNAS..105.7899B. дои : 10.1073/pnas.0803151105 . JSTOR  25462703. PMC 2430337 . ПМИД  18524956. 
  9. ^ abcde Blount ZD, Barrick JE, Davidson CJ, Lenski RE (27 сентября 2012 г.). «Геномный анализ ключевой инновации в экспериментальной популяции Escherichia coli». Природа . 489 (7417): 513–518. Бибкод : 2012Natur.489..513B. дои : 10.1038/nature11514. ПМЦ 3461117 . ПМИД  22992527. 
  10. ^ «Еще пять лет». Возвращение к Теллиамеду . 04.05.2020 . Проверено 9 мая 2020 г.
  11. ^ «Твит / Твиттер» . Твиттер.com .​ Проверено 21 июня 2022 г.
  12. ^ abcde Lenski, Ричард Э. (2010). «Фенотипическая и геномная эволюция в ходе эксперимента с 20 000 поколений бактерии Escherichia coli». Обзоры селекции растений . стр. 225–265. дои : 10.1002/9780470650288.ch8. ISBN 978-0-471-46892-9. S2CID  82586203.
  13. ^ Фокс, Джереми В.; Ленски, Ричард Э. (23 июня 2015 г.). «Отныне и в вечность — теория и практика действительно длительного эксперимента». ПЛОС Биология . 13 (6): e1002185. дои : 10.1371/journal.pbio.1002185 . ПМЦ 4477892 . ПМИД  26102073. 
  14. ↑ Блаунт, Закари Д. (25 марта 2015 г.). «Неисчерпаемый потенциал кишечной палочки». электронная жизнь . 4 . doi : 10.7554/eLife.05826 . ПМЦ 4373459 . ПМИД  25807083. 
  15. ^ ab «Жидкая среда DM25». Lenski.mmg.msu.edu . Проверено 6 мая 2022 г.
  16. ^ abcde Блаунт, Закари Д. (август 2016 г.). «Пример эволюционных непредвиденных обстоятельств». Исследования по истории и философии науки. Часть C: Исследования по истории и философии биологических и биомедицинских наук . 58 : 82–92. дои : 10.1016/j.shpsc.2015.12.007 . ПМИД  26787098.
  17. ^ Фицджеральд, Джордж; Уильямс, Лютер С. (апрель 1975 г.). «Модифицированная процедура обогащения пенициллином для отбора бактериальных мутантов». Журнал бактериологии . 122 (1): 345–346. дои : 10.1128/JB.122.1.345-346.1975. ПМК 235679 . ПМИД  1091629. 
  18. ^ Вагегг, В; Браун, В. (январь 1981 г.). «Транспорт цитрата железа в Escherichia coli требует белка рецептора внешней мембраны fecA». Журнал бактериологии . 145 (1): 156–163. дои : 10.1128/JB.145.1.156-163.1981. ПМК 217256 . ПМИД  7007312. 
  19. ^ Ленски, Ричард Э. (2000). «Обзор эксперимента по долгосрочной эволюции E. coli». Домашняя страница Ричарда Э. Ленски . Мичиганский государственный университет. Архивировано из оригинала 28 августа 2008 г. Проверено 18 июня 2008 г.
  20. ^ Ленски, Ричард (2010). «Обзор эксперимента по долгосрочной эволюции E. coli». myxo.css.msu.edu . Архивировано из оригинала 14 ноября 2021 г. Проверено 29 июня 2023 г.
  21. ^ Уайзер, MJ; Рибек, Н.; Ленский, Р.Э. (14 ноября 2013 г.). «Многолетняя динамика адаптации асексуальных популяций». Наука . 342 (6164): 1364–1367. Бибкод : 2013Sci...342.1364W. дои : 10.1126/science.1243357 . PMID  24231808. S2CID  15341707.
  22. ^ Шарпинг, Натаниэль (16 декабря 2015 г.). «Может ли эволюция когда-либо создать «идеальный» организм?». Откройте для себя журнал . Архивировано из оригинала 20 декабря 2015 года . Проверено 18 декабря 2015 г.
  23. ^ Ленски, Ричард Э; и другие. (2015). «Устойчивый рост физической формы и изменчивость траекторий физической подготовки в долгосрочном эксперименте по эволюции Escherichia coli». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 282 (1821): 20152292. doi :10.1098/rspb.2015.2292. ПМЦ 4707762 . ПМИД  26674951. 
  24. ^ Казначеев, Артем (май 2019 г.). «Вычислительная сложность как окончательное ограничение эволюции». Генетика . 212 (1): 245–265. doi :10.1534/genetics.119.302000. ПМК 6499524 . ПМИД  30833289. 
  25. ^ Сниговский, Пол Д.; Джерриш, Филип Дж.; Ленски, Ричард Э. (июнь 1997 г.). «Эволюция высоких частот мутаций в экспериментальных популяциях кишечной палочки». Природа . 387 (6634): 703–705. Бибкод : 1997Natur.387..703S. дои : 10.1038/42701 . PMID  9192894. S2CID  4351382.
  26. ^ Баррик, Дж. Э.; Ленски, Р.Э. (23 сентября 2009 г.). «Общегеномное мутационное разнообразие в развивающейся популяции Escherichia coli». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 74 : 119–129. дои : 10.1101/sqb.2009.74.018. ПМК 2890043 . ПМИД  19776167. 
  27. ^ Баррик, Джеффри Э.; Ю, Донг Су; Юн, Сон Хо; Чон, Хэён; О, Тэ Кван; Шнайдер, Доминик; Ленски, Ричард Э.; Ким, Джихён Ф. (18 октября 2009 г.). «Эволюция и адаптация генома в долгосрочном эксперименте с Escherichia coli». Природа . 461 (7268): 1243–1247. Бибкод : 2009Natur.461.1243B. дои : 10.1038/nature08480. PMID  19838166. S2CID  4330305.
  28. ^ аб Филипп, Надеж; Пелоси, Людовик; Ленски, Ричард Э.; Шнайдер, Доминик (2008). «Эволюция концентрации пенициллинсвязывающего белка 2 и формы клеток во время долгосрочного эксперимента с Escherichia coli». Журнал бактериологии . 191 (3): 909–21. дои : 10.1128/JB.01419-08. ПМК 2632098 . ПМИД  19047356. 
  29. ^ Купер, Вон С.; Ленски, Ричард Э. (октябрь 2000 г.). «Популяционная генетика экологической специализации в развитии популяций Escherichia coli». Природа . 407 (6805): 736–739. Бибкод : 2000Natur.407..736C. дои : 10.1038/35037572. PMID  11048718. S2CID  205009743.
  30. ^ Лейби, Николас; Маркс, Кристофер Дж.; Моран, Нэнси А. (18 февраля 2014 г.). «Метаболическая эрозия, главным образом за счет накопления мутаций, а не компромиссов, приводит к ограниченной эволюции специфичности субстрата у Escherichia coli». ПЛОС Биология . 12 (2): e1001789. дои : 10.1371/journal.pbio.1001789 . ПМЦ 3928024 . ПМИД  24558347. 
  31. ^ Аб Розен, Дэниел Э.; Ленски, Ричард Э. (январь 2000 г.). «Долгосрочная экспериментальная эволюция Escherichia coli . VIII. Динамика сбалансированного полиморфизма». Американский натуралист . 155 (1): 24–35. дои : 10.1086/303299. PMID  10657174. S2CID  4440384.
  32. ^ Розен, Дэниел Э.; Шнайдер, Доминик; Ленски, Ричард Э. (27 июня 2005 г.). «Долгосрочная экспериментальная эволюция Escherichia coli. XIII. Филогенетическая история сбалансированного полиморфизма». Журнал молекулярной эволюции . 61 (2): 171–180. Бибкод : 2005JMolE..61..171R. дои : 10.1007/s00239-004-0322-2. PMID  15999245. S2CID  6970967.
  33. ^ «Об эволюции использования цитрата». Возвращение к Теллиамеду . 20 февраля 2016 г. Проверено 26 мая 2016 г.
  34. ^ abc «Клеточная биология: использование цитрата». ЭВО-ЭД . Университет Мичигана.
  35. ^ Лара, FJS; Стоукс, Дж. Л. (1952). «Окисление цитрата кишечной палочкой». Журнал бактериологии . 63 (3): 415–420. дои : 10.1128/JB.63.3.415-420.1952. ПМК 169284 . ПМИД  14927574. 
  36. ^ Лютгенс, М.; Готшалк, Г. (1 июля 1980 г.). «Почему для анаэробного роста Escherichia coli на цитрате необходим ко-субстрат». Микробиология . 119 (1): 63–70. дои : 10.1099/00221287-119-1-63 . ПМИД  6997437.
  37. ^ Пос, Клаас Мартинус; Димрот, Питер; Ботт, Майкл (август 1998 г.). «Носитель цитрата CitT Escherichia coli: член нового семейства эубактериальных транспортеров, родственный транслокатору 2-оксоглутарата/малата из хлоропластов шпината». Журнал бактериологии . 180 (16): 4160–4165. дои : 10.1128/JB.180.16.4160-4165.1998. ПМЦ 107412 . ПМИД  9696764. 
  38. ^ аб Рейнольдс, Швейцария; Сильвер, S (декабрь 1983 г.). «Утилизация цитрата Escherichia coli: системы, кодируемые плазмидами и хромосомами». Журнал бактериологии . 156 (3): 1019–1024. дои : 10.1128/JB.156.3.1019-1024.1983. ПМК 217945 . ПМИД  6358185. 
  39. ^ Аб Холл, Б.Г. (июль 1982 г.). «Хромосомная мутация использования цитрата Escherichia coli K-12». Журнал бактериологии . 151 (1): 269–273. дои : 10.1128/JB.151.1.269-273.1982. ПМК 220237 . ПМИД  7045076. 
  40. ^ "Escherichia coli K-12 субстр. MG1655 citT" . ecocyc.org . Проверено 23 мая 2016 г.
  41. ^ Дежарден, Эрик (1 января 2011 г.). «Историчность и экспериментальная эволюция». Биология и философия . 26 (3): 339–364. дои : 10.1007/s10539-011-9256-4. S2CID  83908986.
  42. ^ Битти, Джон; Каррера, Изабель (1 января 2011 г.). «Когда то, что должно было случиться, не должно было произойти: история, шанс, повествование, эволюция». Журнал философии истории . 5 (3): 471–495. дои : 10.1163/187226311x599916.
  43. ^ «Фотографии». Лаборатория Блаунта . Проверено 6 октября 2017 г.
  44. ^ Эрвин, Дуглас Х. (октябрь 2015 г.). «Новинка и инновации в истории жизни». Современная биология . 25 (19): 930–940 р. дои : 10.1016/j.cub.2015.08.019 . ПМИД  26439356.
  45. ^ Квандт, Эрик М.; Детередж, Дэниел Э.; Эллингтон, Эндрю Д.; Георгиу, Джордж; Баррик, Джеффри Э. (11 февраля 2014 г.). «Рекурсивная полногеномная рекомбинация и секвенирование раскрывают ключевой этап уточнения в эволюции метаболических инноваций в Escherichia coli». Труды Национальной академии наук . 111 (6): 2217–2222. Бибкод : 2014PNAS..111.2217Q. дои : 10.1073/pnas.1314561111 . ПМЦ 3926077 . ПМИД  24379390. 
  46. ^ Квандт, Эрик М; Голлихар, Джимми; Блаунт, Закари Д.; Эллингтон, Эндрю Д.; Георгиу, Джордж; Баррик, Джеффри Э. (14 октября 2015 г.). «Точная настройка потока цитратсинтазы усиливает и совершенствует метаболические инновации в эксперименте по эволюции Ленски». электронная жизнь . 4 . doi : 10.7554/eLife.09696 . ПМЦ 4718724 . ПМИД  26465114. 
  47. ^ Тернер, Кэролайн Б.; Блаунт, Закари Д.; Митчелл, Дэниел Х.; Ленски, Ричард Э. (17 июня 2015 г.). «Эволюция и сосуществование в ответ на ключевое нововведение в долгосрочном эксперименте по эволюции Escherichia coli ». bioRxiv 10.1101/020958 . 
  48. ^ Саэй, Тина Хесман (9 сентября 2015 г.). «Эксперимент показал, что вымирание в лабораторной бутылке было случайностью». Новости науки . Проверено 4 июня 2016 г.
  49. ^ Тернер, Кэролайн Б.; Блаунт, Закари Д.; Ленски, Ричард Э.; Коэн, Фредерик М. (18 ноября 2015 г.). «Воспроизведение эволюции для проверки причины вымирания одного экотипа в экспериментально развитой популяции». ПЛОС ОДИН . 10 (11): e0142050. Бибкод : 2015PLoSO..1042050T. дои : 10.1371/journal.pone.0142050 . ПМЦ 4651540 . ПМИД  26581098. 
  50. ^ аб Ван Хофвеген, Дастин Дж.; Ховде, Кэролайн Дж.; Миннич, Скотт А.; Силхави, Ти Джей (1 апреля 2016 г.). «Быстрая эволюция использования цитрата Escherichia coli путем прямого отбора требует citT и dctA». Журнал бактериологии . 198 (7): 1022–1034. дои : 10.1128/JB.00831-15. ПМЦ 4800869 . ПМИД  26833416. 
  51. ^ abc Рот, Джон Р.; Менье-Патен, Софи; Силхави, Ти Джей (1 апреля 2016 г.). «Переосмысление долгосрочных экспериментов по эволюции: является ли отсроченная адаптация примером исторической случайности или следствием прерывистого отбора?». Журнал бактериологии . 198 (7): 1009–1012. дои : 10.1128/JB.00110-16. ПМЦ 4800865 . ПМИД  26883821. 
  52. ^ «Похожие данные, разные выводы | Журнал Scientist Magazine®» . Ученый . Проверено 21 мая 2016 г.
  53. ^ Аб Ленски, Ричард (20 февраля 2016 г.). «Об эволюции использования цитрата». Возвращение к Теллиамеду .

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с экспериментом по долгосрочной эволюции Escherichia coli .