stringtranslate.com

Эволюционная емкость

Эволюционная емкость — это хранение и высвобождение вариации, так же как электрические конденсаторы хранят и высвобождают заряд. Живые системы устойчивы к мутациям. Это означает, что живые системы накапливают генетическую вариацию без фенотипического эффекта вариации . Но когда система нарушается (возможно, из-за стресса), устойчивость нарушается, и вариация имеет фенотипические эффекты и подвергается полной силе естественного отбора . Эволюционный конденсатор — это молекулярный механизм переключения, который может «переключать» генетическую вариацию между скрытым и раскрытым состояниями. [1] Если некоторое подмножество вновь выявленной вариации является адаптивным, оно фиксируется генетической ассимиляцией . После этого остальная вариация, большая часть которой предположительно вредна, может быть отключена, оставляя популяцию с недавно развившимся выгодным признаком, но без долгосрочного недостатка. Для того, чтобы эволюционная емкость увеличивала эволюционируемость таким образом, скорость переключения не должна быть быстрее, чем временные рамки генетической ассимиляции. [2]

Этот механизм позволит быстро адаптироваться к новым условиям окружающей среды. Скорости переключения могут быть функцией стресса, что делает генетическую изменчивость более вероятной для влияния на фенотип в те моменты, когда она, скорее всего, будет полезна для адаптации. Кроме того, сильно вредная изменчивость может быть очищена в частично криптическом состоянии, поэтому оставшаяся криптическая изменчивость с большей вероятностью будет адаптивной, чем случайные мутации. [3] Емкость может помочь пересечь «долины» в ландшафте приспособленности , где комбинация двух мутаций будет полезной, даже если каждая из них вредна сама по себе. [2] [3] [4]

В настоящее время нет единого мнения о том, в какой степени емкость может способствовать эволюции в естественных популяциях. Возможность эволюционной емкости считается частью расширенного эволюционного синтеза . [5]

Переключатели, которые включают и выключают устойчивость к фенотипической, а не генетической изменчивости, не соответствуют аналогии с емкостью, поскольку их присутствие не приводит к накоплению изменчивости с течением времени. Вместо этого их называют фенотипическими стабилизаторами. [6]

Распущенность ферментов

В дополнение к своей собственной реакции многие ферменты выполняют побочные реакции. [7] Аналогично, связывающие белки могут проводить некоторую часть своего времени, будучи связанными с нецелевыми белками. Эти реакции или взаимодействия могут не иметь никакого значения для текущей приспособленности , но в измененных условиях могут стать отправной точкой для адаптивной эволюции. [8] Например, несколько мутаций в гене устойчивости к антибиотикам B-лактамаза вводят устойчивость к цефотаксиму , но не влияют на устойчивость к ампициллину . [9] В популяциях, подвергавшихся воздействию только ампициллина, такие мутации могут присутствовать у меньшинства членов, поскольку нет затрат на приспособленность (т. е. они находятся в нейтральной сети ). Это представляет собой скрытую генетическую изменчивость, поскольку если популяция впервые подвергается воздействию цефотаксима, меньшинство членов будет проявлять некоторую устойчивость.

Сопровождающие

Шапероны помогают в сворачивании белков . Необходимость правильного сворачивания белков является большим ограничением для эволюции белковых последовательностей . Было высказано предположение, что присутствие шаперонов может, обеспечивая дополнительную устойчивость к ошибкам в сворачивании, позволить исследовать более широкий набор генотипов. Когда шапероны перегружены во время экологического стресса, это может «включить» ранее скрытую генетическую вариацию. [10]

Hsp90

Гипотеза о том, что шапероны могут действовать как эволюционные конденсаторы, тесно связана с белком теплового шока Hsp90 . Когда Hsp90 подавляется у плодовой мушки Drosophila melanogaster , наблюдается широкий спектр различных фенотипов, где идентичность фенотипа зависит от генетического фона. [10] Кроме того, недавнее исследование на модельном насекомом, красном мучном хрущаке Tribolium castaneum , показало, что нарушение Hsp90 выявило новый фенотип, фенотип с редуцированными глазами, который стабильно наследовался без дальнейшего ингибирования HSP90 (https://doi.org/10.1101/690727). Считалось, что это доказывает, что новые фенотипы зависят от уже существующих скрытых генетических вариаций, которые были просто обнаружены. Более поздние данные свидетельствуют о том, что эти данные могут быть объяснены новыми мутациями, вызванными реактивацией формально спящих мобильных элементов . [11] Однако это открытие относительно мобильных элементов может зависеть от сильного характера снижения Hsp90, использованного в этом эксперименте. [12]

GroEL

Перепроизводство GroEL в Escherichia coli увеличивает мутационную устойчивость . [13] Это может увеличить способность к эволюции . [14]

Дрожжевой прион [PSI+]

Sup35p — это белок дрожжей , участвующий в распознавании стоп-кодонов и обеспечивающий правильную остановку трансляции на концах белков. Sup35p существует в нормальной форме ([psi-]) и прионной форме ([PSI+]). При наличии [PSI+] это истощает количество доступного нормального Sup35p. В результате частота ошибок, при которых трансляция продолжается после стоп-кодона, увеличивается с примерно 0,3% до примерно 1%. [15]

Это может привести к разным темпам роста, а иногда и к разным морфологиям в подобранных штаммах [PSI+] и [psi-] в различных стрессовых условиях. [16] Иногда штамм [PSI+] растет быстрее, иногда [psi-]: это зависит от генетического фона штамма, что предполагает, что [PSI+] подключается к уже существующим скрытым генетическим вариациям. Математические модели предполагают, что [PSI+] мог эволюционировать как эволюционный конденсатор, чтобы способствовать эволюционируемости . [17] [18]

[PSI+] чаще появляется в ответ на стресс окружающей среды. [19] У дрожжей больше исчезновений стоп-кодона происходит в рамке считывания , имитируя эффекты [PSI+], чем можно было бы ожидать от смещения мутации или чем наблюдается в других таксонах, которые не образуют прион [PSI+]. [20] Эти наблюдения совместимы с тем, что [PSI+] действует как эволюционный конденсатор в дикой природе.

Подобные временные увеличения частоты ошибок могут развиваться внезапно при отсутствии «виджета», подобного [PSI+]. [21] Основное преимущество виджета, подобного [PSI+], заключается в содействии последующей эволюции более низких частот ошибок после того, как произошла генетическая ассимиляция. [22]

Нокауты генов

Нокауты генов можно использовать для идентификации новых генов или геномных областей, которые функционируют как эволюционные конденсаторы. Когда ген нокаутирован, и его удаление выявляет фенотипическую вариацию, которая ранее не наблюдалась, этот ген функционирует как фенотипический конденсатор. Если какая-либо из вариаций адаптивна, она функционирует как эволюционный конденсатор.

Плодовые мушки

Дефицит по крайней мере 15 различных генов выявляет скрытые вариации в морфологии крыльев у Drosophila melanogaster . Хотя некоторые из вариаций, выявленных этими нокаутами, вредны, другие вариации оказывают относительно небольшое влияние на аэродинамику и могут даже улучшить летные возможности особи. [23]

Дрожжи

У дрожжей нокаут определенных генов, регулирующих хроматин , увеличивает различия в экспрессии между видами дрожжей. Большая часть вариаций в экспрессии белка объясняется транс- эффектами, что предполагает, что транс-регуляторные процессы активно участвуют в канализации . В отличие от регуляторов хроматина, удаление генов, кодирующих метаболические ферменты, не оказывает последовательного влияния на разницу в экспрессии между видами, при этом нокауты различных ферментов либо увеличивают, либо уменьшают, либо не оказывают существенного влияния на разницу в экспрессии. [24]

Более широкие образцы нокаута в дрожжах идентифицировали по меньшей мере 300 генов, которые, при отсутствии, увеличивают морфологическую изменчивость между особями дрожжей. Эти гены конденсатора преимущественно занимают несколько ключевых доменов в онтологии генов , включая организацию хромосом и целостность ДНК, удлинение РНК , модификацию белков , клеточный цикл и реакцию на стимулы, такие как стресс. В более общем плане, гены конденсатора, вероятно, экспрессируют белки, которые действуют как сетевые концентраторы в интерактоме клетки и в сети синтетически-летальных взаимодействий. Уверенность в том, что конкретный ген действует как фенотипический конденсатор, коррелирует с числом белок-белковых взаимодействий, наблюдаемых для его экспрессируемого белка. Однако белки с наибольшим количеством взаимодействий имеют сниженную фенотипическую емкость, возможно, из-за повышенной дупликации областей, кодирующих эти белки в геноме, что снижает эффект одного нокаута.

Одиночные конденсаторы (светло-синие) обычно являются частью больших комплексов, в то время как двойные конденсаторы (темно-синие) часто взаимодействуют с несколькими крупными комплексами.

Гены конденсаторов с меньшей вероятностью имеют паралоги в других местах генома; большинство конденсаторов, идентифицированных в дрожжах, являются либо генами-одиночками, либо имеют исторические паралоги, от которых они существенно расходятся с точки зрения экспрессии. Конденсаторы-одиночки и дубликаты в значительной степени демонстрируют разобщенное поведение в интерактоме. Конденсаторы-одиночки чаще всего являются частью сильно взаимосвязанных комплексов (таких как медиаторный комплекс ), в то время как конденсаторы-дубликаты более тесно связаны и, как правило, взаимодействуют с несколькими большими комплексами. Онтологии генов конденсаторов-одиночек и дубликатов также заметно различаются. Конденсаторы-одиночки сосредоточены в категориях поддержания и организации ДНК, реакции на стимулы и транскрипции и локализации РНК, тогда как конденсаторы-дубликаты сосредоточены в категориях метаболизма белков и эндоцитоза . [25]

Избыточность

Механизм генов фенотипических конденсаторов в дрожжах, по-видимому, тесно связан с модальностями функциональной избыточности на различных уровнях генома. Кодирующие области, необходимые для синтеза ключевых белков, не имеющие паралогов в других местах генома, летальны при удалении. Напротив, кодирующие области со множеством паралогов или сильно выраженными паралогами оказывают минимальное влияние на общую экспрессию (особенно трансрегуляторную экспрессию) при удалении. Одиночные и дублирующие конденсаторы в значительной степени представляют собой примеры неполной функциональной избыточности; дифференциально выраженные паралоги дублирующих конденсаторов продолжают некоторую функциональность исходного гена, а комплексы взаимодействия белок-белок, в которых находятся одиночные конденсаторы, в значительной степени демонстрируют перекрывающуюся функциональность. В целом фенотипические конденсаторы, идентифицированные нокаутами в дрожжах, представляют собой гены, экспрессируемые в нескольких ключевых регуляторных областях, которые, хотя и не летальны при удалении, не обладают достаточной избыточностью для поддержания полной функциональности. Концепция функциональной избыточности также может быть задействована в большом количестве синтетически-летальных взаимодействий, в которых участвуют гены конденсаторов. Когда функциональность гена возобновляется паралогом или функциональным аналогом, его удаление не является изначально летальным, однако, когда ген и его избыточность удаляются, результатом становится летальность.

Моделирование

Вычислительное моделирование нокаутов в сложных сетях взаимодействия генов показало, что многие, а возможно и все экспрессированные гены имеют потенциал для выявления фенотипической вариации некоторого рода при удалении, и что ранее идентифицированные гены конденсатора являются просто особенно сильными примерами. Емкость, таким образом, является просто особенностью сложных сетей генов, которая возникает в сочетании с канализацией. [26]

Факультативный пол

Рецессивные мутации можно считать скрытыми, когда они присутствуют в подавляющем большинстве у гетерозигот, а не у гомозигот. Факультативный пол , который принимает форму самоопыления, может действовать как эволюционный конденсатор в первично бесполой популяции, создавая гомозиготы. [27] Факультативный пол, который принимает форму ауткроссинга , может действовать как эволюционный конденсатор, разрушая комбинации аллелей с фенотипическими эффектами, которые обычно нейтрализуются. [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Masel, J (30 сентября 2013 г.). "Вопросы и ответы: Эволюционная емкость". BMC Biology . 11 : 103. doi : 10.1186/1741-7007-11-103 . PMC  3849687. PMID  24228631 .
  2. ^ ab Kim Y (2007). "Скорость адаптивных пиковых сдвигов с частичной генетической устойчивостью". Эволюция . 61 (8): 1847–1856. doi : 10.1111/j.1558-5646.2007.00166.x . PMID  17683428. S2CID  13150906.
  3. ^ ab Masel, Joanna (март 2006 г.). «Криптическая генетическая изменчивость обогащается для потенциальных адаптаций». Genetics . 172 (3): 1985–1991. doi :10.1534/genetics.105.051649. PMC 1456269 . PMID  16387877. 
  4. ^ Троттер, Мередит В .; Вайсман, Дэниел Б.; Петерсон, Грант И.; Пек, Кайла М.; Масел, Джоанна (декабрь 2014 г.). «Скрытая генетическая изменчивость может сделать «неснижаемую сложность» распространенным способом адаптации в популяциях с половым размножением». Эволюция . 68 ( 12): 3357–3367. doi :10.1111/evo.12517. PMC 4258170. PMID  25178652. 
  5. ^ Пильуччи, Массимо (2007). «Нужен ли нам расширенный эволюционный синтез?». Эволюция . 61 (12): 2743–2749. doi : 10.1111/j.1558-5646.2007.00246.x . PMID  17924956. S2CID  2703146.
  6. ^ Masel J ; Siegal ML (2009). «Надежность: механизмы и последствия». Trends in Genetics . 25 (9): 395–403. doi :10.1016/j.tig.2009.07.005. PMC 2770586 . PMID  19717203. 
  7. ^ Mohamed, MF; Hollfelder, F (январь 2013 г.). «Эффективная перекрестная каталитическая разнородность среди ферментов, катализирующих перенос фосфорила». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1834 (1): 417–24. doi :10.1016/j.bbapap.2012.07.015. PMID  22885024.
  8. ^ O'Brien, PJ; Herschlag, D (апрель 1999). «Каталитическая разнородность и эволюция новых ферментативных активностей». Химия и биология . 6 (4): R91–R105. doi : 10.1016/s1074-5521(99)80033-7 . PMID  10099128.
  9. ^ Мацумура, И; Эллингтон, А.Д. (12 января 2001 г.). «Эволюция бета-глюкуронидазы in vitro в бета-галактозидазу происходит через неспецифические промежуточные продукты». Журнал молекулярной биологии . 305 (2): 331–9. doi :10.1006/jmbi.2000.4259. PMID  11124909.
  10. ^ ab Rutherford SL, Lindquist S (1998). "Hsp90 как конденсатор для морфологической эволюции". Nature . 396 (6709): 336–342. Bibcode :1998Natur.396..336R. doi :10.1038/24550. PMID  9845070. S2CID  204996106.
  11. ^ Спецкья V; Пьячентини Л; Тритто П; Фанти Л; Д'Алессандро Р; Палумбо Дж; Пимпинелли С; Член парламента Боззетти (2010). «Hsp90 предотвращает фенотипические вариации, подавляя мутагенную активность транспозонов». Природа . 463 (1): 662–665. Бибкод : 2010Natur.463..662S. дои : 10.1038/nature08739. PMID  20062045. S2CID  4429205.
  12. ^ Вамси К. Гангараджу; Ханг Инь; Молли М. Вайнер; Цзяньцюань Ван; Сяо А. Хуан; Хайфань Линь (2011). «Функции Drosophila Piwi в подавлении фенотипической изменчивости, опосредованном Hsp90». Nature Genetics . 43 (2): 153–158. doi :10.1038/ng.743. PMC 3443399 . PMID  21186352. 
  13. ^ Марио А. Фарес; Марио Х. Руис-Гонсалес; Андрес Мойя; Сантьяго Ф. Елена; Эладио Баррио (2002). «Эндосимбиотические бактерии: GroEL защищает от вредных мутаций». Природа . 417 (6887): 398. Бибкод : 2002Natur.417..398F. дои : 10.1038/417398a . PMID  12024205. S2CID  4368351.
  14. ^ Нобухико Токурики; Дэн С. Тауфик (2009). «Сверхэкспрессия шаперонина способствует генетической изменчивости и эволюции ферментов». Nature . 459 (7247): 668–673. Bibcode :2009Natur.459..668T. doi :10.1038/nature08009. PMID  19494908. S2CID  205216739.
  15. ^ Firoozan M, Grant CM, Duarte JA, Tuite MF (1991). «Количественное определение считывания терминирующих кодонов в дрожжах с использованием нового анализа слияния генов». Дрожжи . 7 (2): 173–183. doi :10.1002/yea.320070211. PMID  1905859. S2CID  42869007.
  16. ^ True HL, Lindquist SL (2000). «Дрожжевой прион обеспечивает механизм генетической изменчивости и фенотипического разнообразия». Nature . 407 (6803): 477–483. Bibcode :2000Natur.407..477T. doi :10.1038/35035005. PMID  11028992. S2CID  4411231.
  17. ^ Masel J, Bergman A (2003). «Эволюция свойств эволюционируемости дрожжевого приона [PSI+]». Эволюция . 57 (7): 1498–1512. doi :10.1111/j.0014-3820.2003.tb00358.x. PMID  12940355. S2CID  30954684.
  18. ^ Lancaster AK, Bardill JP, True HL, Masel J (2010). «Спонтанная скорость появления дрожжевого приона PSI+ и ее значение для эволюции свойств эволюционируемости системы PSI+». Genetics . 184 (2): 393–400. doi :10.1534/genetics.109.110213. PMC 2828720 . PMID  19917766. 
  19. ^ Tyedmers J, Madariaga ML, Lindquist S (2008). Weissman J (ред.). «Переключение прионов в ответ на экологический стресс». PLOS Biology . 6 (11): e294. doi : 10.1371/journal.pbio.0060294 . PMC 2586387. PMID  19067491 . 
  20. ^ Giacomelli M, Hancock AS, Masel J (2007). «Преобразование 3′ UTR в кодирующие регионы». Молекулярная биология и эволюция . 24 (2): 457–464. doi :10.1093/molbev/msl172. PMC 1808353. PMID  17099057 . 
  21. ^ Нельсон, Пол; Масел, Джоанна (октябрь 2018 г.). «Эволюционная емкость возникает спонтанно во время адаптации к изменениям окружающей среды». Cell Reports . 25 (1): 249–258. doi : 10.1016/j.celrep.2018.09.008 . PMID  30282033.
  22. ^ Ланкастер, Алекс К.; Масел, Джоанна (сентябрь 2009 г.). «Эволюция обратимых переключателей в присутствии необратимых имитаторов». Эволюция . 63 (9): 2350–2362. doi :10.1111/j.1558-5646.2009.00729.x. PMC 2770902. PMID  19486147 . 
  23. ^ Казуо Такахаши (2013). «Множественные конденсаторы для естественной генетической изменчивости у Drosophila melanogaster». Молекулярная экология . 22 (435): 1356–1365. doi :10.1111/mec.12091. PMID  23110557.
  24. ^ Итай Тирош; Шарон Рейхав; Надежда Сигал; Яэль Ассия; Наама Баркай (2010). «Регуляторы хроматина как конденсаторы межвидовых вариаций в экспрессии генов». Молекулярная системная биология . 6 (435): 435. doi :10.1038/msb.2010.84. PMC 3010112. PMID  21119629. 
  25. ^ Levy SF, Siegal ML (2008). Levchenko A (ред.). «Сетевые концентраторы буферизуют вариации окружающей среды в Saccharomyces cerevisiae». PLOS Biology . 6 (1): e264. doi : 10.1371/journal.pbio.0060264 . PMC 2577700. PMID  18986213 . 
  26. ^ Бергман А., Сигал М. Л. (июль 2003 г.). «Эволюционная емкость как общая черта сложных генных сетей». Nature . 424 (6948): 549–552. Bibcode :2003Natur.424..549B. doi :10.1038/nature01765. PMID  12891357. S2CID  775036.
  27. ^ Masel J, Lyttle DN (2011). «Последствия редкого полового размножения посредством самоопыления у видов, которые в противном случае клонально размножаются». Теоретическая популяционная биология . 80 (4): 317–322. doi :10.1016/j.tpb.2011.08.004. PMC 3218209. PMID  21888925 . 
  28. ^ Линч М., Габриэль В. (1983). «Фенотипическая эволюция и партеногенез». American Naturalist (Представленная рукопись). 122 (6): 745–764. doi :10.1086/284169. JSTOR  2460915. S2CID  5505336.