stringtranslate.com

Эпистаз

Примером эпистаза является взаимодействие между цветом волос и облысением. Ген полного облысения будет эпистатичным по отношению к гену светлых или рыжих волос . Гены цвета волос гипостатичны по отношению к гену облысения. Фенотип облысения заменяет гены цвета волос, и поэтому эффекты не являются аддитивными. [ необходима цитата ]
Пример эпистаза в генетике окраса шерсти: если пигменты не могут быть произведены, другие гены окраса шерсти не оказывают никакого влияния на фенотип, независимо от того, являются ли они доминантными или особь гомозиготна. Здесь генотип "c c" для отсутствия пигментации является эпистатичным по отношению к другим генам. [1]

Эпистаз — это явление в генетике , при котором эффект генной мутации зависит от наличия или отсутствия мутаций в одном или нескольких других генах, соответственно называемых генами-модификаторами . Другими словами, эффект мутации зависит от генетического фона, в котором она появляется. [2] Таким образом, эпистатические мутации сами по себе имеют разные эффекты, чем когда они происходят вместе. Первоначально термин эпистаз специально означал, что эффект варианта гена маскируется эффектом другого гена. [3]

Концепция эпистаза возникла в генетике в 1907 году [4], но в настоящее время используется в биохимии , вычислительной биологии и эволюционной биологии . Это явление возникает из-за взаимодействий, либо между генами (например, мутации также необходимы в регуляторах экспрессии генов ), либо внутри них (необходимы множественные мутации, прежде чем ген потеряет функцию), что приводит к нелинейным эффектам. Эпистаз оказывает большое влияние на форму эволюционных ландшафтов , что приводит к глубоким последствиям для эволюции и для эволюционируемости фенотипических признаков.

История

Понимание эпистаза значительно изменилось на протяжении истории генетики , как и использование этого термина. Термин был впервые использован Уильямом Бейтсоном и его коллегами Флоренс Дарем и Мюриэль Уэлдейл Онслоу . [4] В ранних моделях естественного отбора, разработанных в начале 20-го века, считалось, что каждый ген вносит свой собственный характерный вклад в приспособленность на фоне усредненного фона других генов. Некоторые вводные курсы до сих пор преподают популяционную генетику таким образом. Из-за того, как развивалась наука популяционной генетики , эволюционные генетики были склонны думать об эпистазе как об исключении. Однако, в целом, экспрессия любого аллеля сложным образом зависит от многих других аллелей.

В классической генетике , если гены A и B мутируют, и каждая мутация сама по себе производит уникальный фенотип, но две мутации вместе показывают тот же фенотип, что и мутация гена A, то ген A является эпистатическим, а ген B является гипостатическим . Например, ген полного облысения является эпистатическим по отношению к гену каштановых волос . В этом смысле эпистаз можно противопоставить генетическому доминированию , которое представляет собой взаимодействие между аллелями в одном и том же локусе гена . По мере развития изучения генетики и с появлением молекулярной биологии эпистаз начали изучать в связи с локусами количественных признаков (QTL) и полигенным наследованием .

Эффекты генов теперь обычно можно количественно оценить, оценивая величину фенотипа (например, рост , пигментация или скорость роста ) или биохимически оценивая активность белка (например, связывание или катализ ). Все более сложные вычислительные и эволюционные биологические модели стремятся описать эффекты эпистаза в масштабе всего генома и последствия этого для эволюции . [5] [6] [7] Поскольку идентификация эпистатических пар сложна как с вычислительной, так и со статистической точки зрения, некоторые исследования пытаются расставить приоритеты в эпистатических парах. [8] [9]

Классификация

Количественные значения признаков после двух мутаций либо по отдельности (Ab и aB), либо в комбинации (AB). Полосы, содержащиеся в сером поле, указывают на объединенное значение признака при различных обстоятельствах эпистаза. Верхняя панель показывает эпистаз между полезными мутациями (синий). [10] [11] Нижняя панель показывает эпистаз между вредными мутациями (красный). [12] [13]
Поскольку в среднем мутации вредны, случайные мутации в организме вызывают снижение приспособленности. Если все мутации являются аддитивными, приспособленность будет падать пропорционально количеству мутаций (черная линия). Когда вредные мутации демонстрируют отрицательный (синергический) эпистаз, они более вредны в сочетании, чем по отдельности, и поэтому приспособленность падает с числом мутаций с возрастающей скоростью (верхняя, красная линия). Когда мутации демонстрируют положительный (антагонистический) эпистаз, эффекты мутаций менее серьезны в сочетании, чем по отдельности, и поэтому приспособленность падает с убывающей скоростью (нижняя, синяя линия). [12] [13] [14] [15]

Терминология эпистаза может различаться в разных научных областях. Генетики часто ссылаются на дикий тип и мутантные аллели , где мутация неявно вредна, и могут говорить в терминах генетического улучшения, синтетической летальности и генетических супрессоров. Напротив, биохимик может чаще фокусироваться на полезных мутациях и, таким образом, явно указывать на эффект мутации и использовать такие термины, как эпистаз реципрокного знака и компенсаторная мутация. [16] Кроме того, существуют различия при рассмотрении эпистаза в пределах одного гена (биохимия) и эпистаза в пределах гаплоидного или диплоидного генома (генетика). В целом, эпистаз используется для обозначения отхода от «независимости» эффектов различных генетических локусов. Путаница часто возникает из-за различной интерпретации «независимости» в различных отраслях биологии. [17] Приведенные ниже классификации пытаются охватить различные термины и то, как они соотносятся друг с другом.

Аддитивность

Две мутации считаются чисто аддитивными, если эффект двойной мутации является суммой эффектов одиночных мутаций. Это происходит, когда гены не взаимодействуют друг с другом, например, действуя через разные метаболические пути . Проще говоря, аддитивные признаки изучались на ранних этапах истории генетики , однако они относительно редки, при этом большинство генов демонстрируют по крайней мере некоторый уровень эпистатического взаимодействия. [18] [19]

Величина эпистаза

Когда двойная мутация имеет более приспособленный фенотип , чем ожидалось от эффектов двух одиночных мутаций, это называется положительным эпистазом . Положительный эпистаз между полезными мутациями генерирует большие улучшения в функции, чем ожидалось. [10] [11] Положительный эпистаз между вредными мутациями защищает от негативных эффектов, вызывая менее серьезное падение приспособленности. [13]

И наоборот, когда две мутации вместе приводят к менее приспособленному фенотипу , чем ожидалось на основе их эффектов по отдельности, это называется отрицательным эпистазом . [20] [21] Отрицательный эпистаз между полезными мутациями вызывает меньшие, чем ожидалось, улучшения приспособленности, тогда как отрицательный эпистаз между вредными мутациями вызывает более чем аддитивное падение приспособленности. [12]

Независимо, когда эффект на приспособленность двух мутаций более радикален, чем ожидалось от их эффектов по отдельности, это называется синергетическим эпистазом . Противоположная ситуация, когда разница в приспособленности двойного мутанта от дикого типа меньше, чем ожидалось от эффектов двух одиночных мутаций, это называется антагонистическим эпистазом . [15] Таким образом, для вредных мутаций отрицательный эпистаз также является синергетическим, в то время как положительный эпистаз является антагонистическим; и наоборот, для выгодных мутаций положительный эпистаз является синергетическим, в то время как отрицательный эпистаз является антагонистическим.

Термин «генетическое улучшение» иногда используется, когда двойной (вредный) мутант имеет более тяжелый фенотип, чем аддитивные эффекты одиночных мутантов. Сильный положительный эпистаз иногда упоминается креационистами как нередуцируемая сложность (хотя большинство примеров неверно идентифицированы ).

Знак эпистаза

Знаковый эпистаз [22] происходит, когда одна мутация имеет противоположный эффект в присутствии другой мутации. Это происходит, когда мутация, которая сама по себе вредна, может усилить эффект конкретной полезной мутации. [17] Например, большой и сложный мозг — это пустая трата энергии без ряда органов чувств , но органы чувств становятся более полезными благодаря большому и сложному мозгу, который может лучше обрабатывать информацию. Если ландшафт приспособленности не имеет знакового эпистаза, то он называется гладким .

В самом крайнем случае, взаимный эпистаз знака [23] происходит, когда два вредных гена полезны вместе. Например, производство одного токсина может убить бактерию , а производство одного экспортера токсина может привести к потере энергии, но производство обоих может улучшить приспособленность , убивая конкурирующие организмы . Если ландшафт приспособленности имеет эпистаз знака, но не имеет обратного эпистаза знака, то он называется полугладким . [24]

Взаимный эпистаз знаков также приводит к генетическому подавлению , при котором две вредные мутации вместе менее вредны, чем каждая по отдельности, т. е. одна компенсирует другую. Ярким примером генетического подавления была демонстрация того, что при сборке бактериофага Т4 две вредные мутации , каждая из которых вызывает дефицит уровня другого морфогенетического белка, могут взаимодействовать положительно. [25] Если мутация вызывает снижение определенного структурного компонента, это может привести к дисбалансу в морфогенезе и потере жизнеспособного потомства вируса, но производство жизнеспособного потомства может быть восстановлено второй (супрессорной) мутацией в другом морфогенетическом компоненте, которая восстанавливает баланс белковых компонентов.

Термин генетическое подавление может также применяться к эпистазу знака, когда двойной мутант имеет фенотип, промежуточный между фенотипами одиночных мутантов, в этом случае более тяжелый фенотип одиночного мутанта подавляется другой мутацией или генетическим состоянием. Например, в диплоидном организме гипоморфный (или частично утративший функцию) мутантный фенотип может быть подавлен путем нокаута одной копии гена, который действует противоположно в том же пути. В этом случае второй ген описывается как «доминантный супрессор» гипоморфного мутанта; «доминантный», потому что эффект наблюдается, когда присутствует одна копия гена-супрессора дикого типа (т. е. даже в гетерозиготе). Для большинства генов фенотип гетерозиготной супрессорной мутации сам по себе будет диким типом (потому что большинство генов не являются гаплонедостаточными), так что фенотип двойного мутанта (подавленный) является промежуточным между фенотипами одиночных мутантов.

При нереципрокном эпистазе знаков приспособленность мутанта находится посередине между крайними эффектами, наблюдаемыми при реципрокном эпистазе знаков.

Когда две мутации жизнеспособны по отдельности, но смертельны в сочетании, это называется синтетической летальностью или несвязанной некомплементацией . [26]

Гаплоидные организмы

В гаплоидном организме с генотипами (в двух локусах ) ab , Ab , aB или AB мы можем рассматривать различные формы эпистаза как влияющие на величину фенотипа при мутации по отдельности (Ab и aB) или в комбинации (AB).

Диплоидные организмы

Эпистаз в диплоидных организмах еще больше осложняется наличием двух копий каждого гена. Эпистаз может происходить между локусами, но, кроме того, взаимодействия могут происходить между двумя копиями каждого локуса у гетерозигот . Для двухлокусной , двухаллельной системы существует восемь независимых типов взаимодействия генов. [27]

Генетические и молекулярные причины

Аддитивность

Это может быть в случае, когда несколько генов действуют параллельно для достижения одного и того же эффекта. Например, когда организм нуждается в фосфоре , несколько ферментов, которые расщепляют различные фосфорилированные компоненты из окружающей среды, могут действовать аддитивно, чтобы увеличить количество фосфора, доступного организму. Однако неизбежно наступает момент, когда фосфор больше не является ограничивающим фактором для роста и размножения, и поэтому дальнейшие улучшения метаболизма фосфора оказывают меньший эффект или не оказывают его вовсе (отрицательный эпистаз). Некоторые наборы мутаций внутри генов также были специально обнаружены как аддитивные. [28] В настоящее время считается, что строгая аддитивность является исключением, а не правилом, поскольку большинство генов взаимодействуют с сотнями или тысячами других генов. [18] [19]

Эпистаз между генами

Эпистаз в геномах организмов происходит из-за взаимодействия генов внутри генома. Это взаимодействие может быть прямым, если гены кодируют белки, которые, например, являются отдельными компонентами многокомпонентного белка (например, рибосомы ), подавляют активность друг друга или если белок, кодируемый одним геном, модифицирует другой (например, фосфорилированием ). Альтернативно взаимодействие может быть косвенным, когда гены кодируют компоненты метаболического пути или сети , пути развития , сигнального пути или сети факторов транскрипции . Например, ген, кодирующий фермент , синтезирующий пенициллин, бесполезен для грибка без ферментов, синтезирующих необходимые предшественники в метаболическом пути.

Эпистаз внутри генов

Так же, как мутации в двух отдельных генах могут быть неаддитивными, если эти гены взаимодействуют, мутации в двух кодонах внутри гена могут быть неаддитивными. В генетике это иногда называется внутригенным подавлением , когда одна вредная мутация может быть компенсирована второй мутацией внутри этого гена. Анализ мутантов бактериофага T4 , которые были изменены в цистроне (гене) rIIB, показал, что определенные парные комбинации мутаций могут взаимно подавлять друг друга; то есть двойные мутанты имели более близкий к дикому типу фенотип , чем любой мутант по отдельности. [29] Линейный порядок карты мутантов был установлен с использованием данных генетической рекомбинации . Из этих источников информации триплетная природа генетического кода была логически выведена впервые в 1961 году, а также были выведены другие ключевые особенности кода. [29]

Также внутригенное подавление может происходить, когда аминокислоты внутри белка взаимодействуют. Из-за сложности сворачивания и активности белка аддитивные мутации редки.

Белки удерживаются в своей третичной структуре распределенной внутренней сетью кооперативных взаимодействий ( гидрофобных , полярных и ковалентных ). [30] Эпистатические взаимодействия происходят всякий раз, когда одна мутация изменяет локальную среду другого остатка (либо путем прямого контакта с ним, либо путем вызывания изменений в структуре белка). [31] Например, в дисульфидном мостике один цистеин не оказывает никакого влияния на стабильность белка, пока второй не будет присутствовать в правильном месте, и в этот момент два цистеина образуют химическую связь , которая повышает стабильность белка. [32] Это можно было бы наблюдать как положительный эпистаз, когда вариант с двумя цистеинами имел гораздо более высокую стабильность, чем любой из вариантов с одним цистеином. И наоборот, когда вводятся вредные мутации, белки часто демонстрируют мутационную устойчивость , в результате чего, поскольку стабилизирующие взаимодействия разрушаются, белок все еще функционирует, пока не достигнет некоторого порога стабильности, в этот момент дальнейшие дестабилизирующие мутации оказывают большие пагубные эффекты, поскольку белок больше не может сворачиваться . Это приводит к отрицательному эпистазу, при котором мутации, которые по отдельности оказывают незначительное воздействие, вместе оказывают большой пагубный эффект. [33] [34]

В ферментах структура белка ориентирует несколько ключевых аминокислот в точные геометрии для формирования активного сайта для выполнения химии . [35] Поскольку эти сети активных сайтов часто требуют взаимодействия нескольких компонентов, мутация любого из этих компонентов значительно снижает активность, и поэтому мутация второго компонента оказывает относительно незначительное влияние на уже инактивированный фермент. Например, удаление любого члена каталитической триады многих ферментов снизит активность до уровней, достаточно низких, чтобы организм больше не был жизнеспособен. [36] [37] [38]

Гетерозиготный эпистаз

Диплоидные организмы содержат две копии каждого гена. Если они различны ( гетерозиготные / гетероаллельные), две разные копии аллеля могут взаимодействовать друг с другом, вызывая эпистаз. Иногда это называют аллельной комплементарностью или межаллельной комплементарностью . Это может быть вызвано несколькими механизмами, например трансвекцией , когда энхансер из одного аллеля действует в транс-положении , активируя транскрипцию с промотора второго аллеля. С другой стороны, транс-сплайсинг двух нефункциональных молекул РНК может производить одну функциональную РНК.

Аналогично, на уровне белка, белки, которые функционируют как димеры, могут образовывать гетеродимер, состоящий из одного белка из каждого альтернативного гена, и могут проявлять свойства, отличные от свойств гомодимера одного или обоих вариантов. Два мутанта бактериофага T4, дефектные в разных местах одного и того же гена, могут подвергаться аллельной комплементации во время смешанной инфекции. [39] То есть, каждый мутант в отдельности при инфицировании не может производить жизнеспособное потомство, но при смешанной инфекции с двумя комплементарными мутантами образуются жизнеспособные фаги. Внутригенная комплементация была продемонстрирована для нескольких генов, которые кодируют структурные белки бактериофага [39], что указывает на то, что такие белки функционируют как димеры или даже мультимеры более высокого порядка. [40]

Эволюционные последствия

Ландшафты приспособленности и развиваемость

Верхний ряд показывает взаимодействия между двумя генами, которые показывают либо ( a ) аддитивные эффекты, ( b ) положительный эпистаз или ( c ) эпистаз реципрокного знака. Ниже приведены ландшафты приспособленности , которые показывают все большие и большие уровни глобального эпистаза между большим количеством генов. Чисто аддитивные взаимодействия приводят к одному гладкому пику ( d ); по мере того, как все большее количество генов проявляет эпистаз, ландшафт становится более неровным ( e ), а когда все гены взаимодействуют эпистатически, ландшафт становится настолько неровным, что мутации имеют, по-видимому, случайные эффекты ( f ).

В эволюционной генетике знак эпистаза обычно более значим, чем величина эпистаза. Это происходит потому, что величина эпистаза (положительная и отрицательная) просто влияет на то, насколько полезны мутации вместе, однако знак эпистаза влияет на то, являются ли комбинации мутаций полезными или вредными. [10]

Фитнес -ландшафт — это представление фитнеса , где все генотипы расположены в 2D-пространстве, а фитнес каждого генотипа представлен высотой на поверхности. Он часто используется как визуальная метафора для понимания эволюции как процесса движения вверх от одного генотипа к следующему, соседнему, более приспособленному генотипу. [18]

Если все мутации аддитивны, они могут быть приобретены в любом порядке и по-прежнему давать непрерывную восходящую траекторию. Ландшафт идеально гладкий, с единственным пиком ( глобальным максимумом ), и все последовательности могут эволюционировать вверх к нему путем накопления полезных мутаций в любом порядке . И наоборот, если мутации взаимодействуют друг с другом посредством эпистаза, ландшафт приспособленности становится неровным, поскольку эффект мутации зависит от генетического фона других мутаций. [41] В самом крайнем случае взаимодействия настолько сложны, что приспособленность «не коррелирует» с последовательностью генов, а топология ландшафта случайна. Это называется неровным ландшафтом приспособленности и имеет глубокие последствия для эволюционной оптимизации организмов. Если мутации вредны в одной комбинации, но полезны в другой, наиболее приспособленные генотипы могут быть доступны только путем накопления мутаций в одном определенном порядке . Это повышает вероятность того, что организмы застрянут на локальных максимумах в ландшафте приспособленности, приобретя мутации в «неправильном» порядке. [34] [42] Например, вариант β-лактамазы TEM1 с 5 мутациями способен расщеплять цефотаксим ( антибиотик третьего поколения ). [43] Однако из 120 возможных путей к этому 5-мутантному варианту только 7% доступны для эволюции, поскольку остальные прошли через долины приспособленности, где комбинация мутаций снижает активность. Напротив, было показано, что изменения в окружающей среде (и, следовательно, форма ландшафта приспособленности) обеспечивают уход от локальных максимумов. [34] В этом примере отбор в изменяющейся среде антибиотиков привел к «воротной мутации», которая эпистатически взаимодействовала положительным образом с другими мутациями вдоль эволюционного пути, эффективно пересекая долину приспособленности. Эта ворота-мутация смягчила отрицательные эпистатические взаимодействия других индивидуально полезных мутаций, позволяя им лучше функционировать совместно. Поэтому сложные среды или отборы могут обходить локальные максимумы, обнаруженные в моделях, предполагающих простой положительный отбор.

Высокий эпистаз обычно считается сдерживающим фактором эволюции, и улучшения в высоко эпистатическом признаке считаются имеющими более низкую эволюционируемость . Это связано с тем, что в любом заданном генетическом фоне очень немногие мутации будут полезными, даже если для того, чтобы в конечном итоге улучшить признак, может потребоваться много мутаций. Отсутствие гладкого ландшафта затрудняет для эволюции доступ к пикам приспособленности. В сильно пересеченных ландшафтах долины приспособленности блокируют доступ к некоторым генам, и даже если существуют хребты, которые обеспечивают доступ, они могут быть редкими или непозволительно длинными. [44] Более того, адаптация может перемещать белки в более нестабильные или пересеченные регионы ландшафта приспособленности. [45] Эти смещающиеся «территории приспособленности» могут замедлять эволюцию и могут представлять собой компромиссы для адаптивных признаков.

Разочарование адаптивной эволюции из-за неровных ландшафтов приспособленности было признано потенциальной силой для эволюции эволюционируемости . Майкл Конрад в 1972 году был первым, кто предложил механизм эволюции эволюционируемости , отметив, что мутация, которая сглаживает ландшафт приспособленности в других локусах, может способствовать производству выгодных мутаций и сопровождать их. [46] [47] Руперт Ридл в 1975 году предположил, что новые гены, которые производят те же фенотипические эффекты с одной мутацией, что и другие локусы с обратным эпистазом знака, будут новым средством для достижения фенотипа, который в противном случае вряд ли возник бы в результате мутации. [48] [49]

Неровные, эпистатические ландшафты приспособленности также влияют на траектории эволюции. Когда мутация имеет большое количество эпистатических эффектов, каждая накопленная мутация радикально меняет набор доступных полезных мутаций . Поэтому эволюционная траектория, по которой идет процесс, сильно зависит от того, какие ранние мутации были приняты. Таким образом, повторы эволюции от одной и той же начальной точки имеют тенденцию расходиться к разным локальным максимумам, а не сходиться к одному глобальному максимуму, как это было бы в гладком, аддитивном ландшафте. [50] [51]

Эволюция пола

Отрицательный эпистаз и пол, как полагают, тесно коррелируют. Экспериментально эта идея была проверена с использованием цифровых симуляций бесполых и половых популяций. Со временем половые популяции движутся в сторону более отрицательного эпистаза, или снижения приспособленности двумя взаимодействующими аллелями. Считается, что отрицательный эпистаз позволяет эффективно удалять из популяции особей, несущих взаимодействующие вредные мутации. Это удаляет эти аллели из популяции, что приводит к общей более приспособленной популяции. Эта гипотеза была предложена Алексеем Кондрашовым и иногда известна как гипотеза детерминированной мутации [52] и также была проверена с использованием искусственных генных сетей . [20]

Однако доказательства этой гипотезы не всегда были простыми, и модель, предложенная Кондрашовым, подвергалась критике за предположение о параметрах мутации, далеких от наблюдений в реальном мире. [53] Кроме того, в тех тестах, которые использовали искусственные генные сети, отрицательный эпистаз обнаруживается только в более плотно связанных сетях, [20] тогда как эмпирические данные указывают на то, что естественные генные сети слабо связаны, [54] а теория показывает, что отбор по надежности будет благоприятствовать более слабо связанным и минимально сложным сетям. [54]

Методы и модельные системы

Регрессионный анализ

Количественная генетика фокусируется на генетической дисперсии из-за генетических взаимодействий. Любые взаимодействия двух локусов при определенной частоте генов могут быть разложены на восемь независимых генетических эффектов с использованием взвешенной регрессии . В этой регрессии наблюдаемые генетические эффекты двух локусов рассматриваются как зависимые переменные, а «чистые» генетические эффекты используются как независимые переменные. Поскольку регрессия взвешена, разделение между компонентами дисперсии будет меняться как функция частоты генов. По аналогии можно расширить эту систему до трех или более локусов или до цитоядерных взаимодействий [55]

Двойные мутантные циклы

При анализе эпистаза в гене можно использовать направленный мутагенез для создания различных генов, а их белковые продукты можно анализировать (например, на стабильность или каталитическую активность). Иногда это называют циклом двойных мутантов, и оно включает в себя производство и анализ белка дикого типа, двух одиночных мутантов и двойного мутанта. Эпистаз измеряется как разница между эффектами мутаций вместе по сравнению с суммой их индивидуальных эффектов. [56] Это можно выразить как свободную энергию взаимодействия. Та же методология может использоваться для исследования взаимодействий между более крупными наборами мутаций, но все комбинации должны быть получены и проанализированы. Например, существует 120 различных комбинаций из 5 мутаций, некоторые или все из которых могут показывать эпистаз...

Вычислительное предсказание

Было разработано множество вычислительных методов для обнаружения и характеристики эпистаза. Многие из них полагаются на машинное обучение для обнаружения неаддитивных эффектов, которые могут быть пропущены статистическими подходами, такими как линейная регрессия. [57] Например, многофакторное снижение размерности (MDR) было разработано специально для непараметрического и безмодельного обнаружения комбинаций генетических вариантов, которые являются предикторами фенотипа, такого как статус заболевания в человеческих популяциях . [58] [59] Некоторые из этих подходов были широко рассмотрены в литературе. [60] Еще совсем недавно было показано, что методы, использующие идеи из теоретической информатики ( преобразование Адамара [61] и сжатое зондирование [62] [63] ) или вывод максимального правдоподобия [64], отличают эпистатические эффекты от общей нелинейности в структуре карты генотип-фенотип, [65] в то время как другие использовали анализ выживаемости пациентов для выявления нелинейности. [66]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Нил А. Кэмпбелл , Джейн Б. Рис : Биология. Spektrum-Verlag Heidelberg-Berlin 2003, ISBN  3-8274-1352-4 , стр. 306
  2. ^ Gros PA, Le Nagard H, Tenaillon O (май 2009). «Эволюция эпистаза и его связи с генетической надежностью, сложностью и дрейфом в фенотипической модели адаптации». Genetics . 182 (1): 277–93. doi :10.1534/genetics.108.099127. PMC 2674823 . PMID  19279327. 
  3. ^ Ригер Р., Михаэлис А., Грин М. М. (1968), Глоссарий генетики и цитогенетики: классическая и молекулярная , Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-07668-3
  4. ^ ab Richmond, Marsha L. (2001). «Женщины в ранней истории генетики: Уильям Бейтсон и менделевцы Ньюнхэмского колледжа, 1900–1910». Isis . 92 (1). История научного общества: 55–90. doi : 10.1086/385040. JSTOR  237327. PMID  11441497. S2CID  29790111.
  5. ^ Szendro IG, Martijn FS, Franke J, Krug J, de Visser J, Arjan GM (16 января 2013 г.). «Количественный анализ эмпирических ландшафтов пригодности». Журнал статистической механики: теория и эксперимент . 2013 (1): P01005. arXiv : 1202.4378 . Bibcode : 2013JSMTE..01..005S. doi : 10.1088/1742-5468/2013/01/P01005. S2CID  14356766.
  6. ^ Эдлунд JA, Адами C (весна 2004 г.). «Эволюция надежности цифровых организмов». Искусственная жизнь . 10 (2): 167–79. CiteSeerX 10.1.1.556.2318 . doi :10.1162/106454604773563595. PMID  15107229. S2CID  13371337. 
  7. ^ Chattopadhyay S (весна 2019 г.). «Взаимодействие по всему геному и идентификация ключевых регуляторов при множественной миеломе на основе путей». Communications Biology . 4 (2): 89–96. doi :10.1038/s42003-019-0329-2. PMC 6399257. PMID  30854481 . 
  8. ^ Аяти, Марзиех; Коютюрк, Мехмет (2014). «Приоритизация пар геномных локусов для тестирования эпистаза». Труды 5-й конференции ACM по биоинформатике, вычислительной биологии и информатике в здравоохранении . стр. 240–248. CiteSeerX 10.1.1.715.1549 . doi :10.1145/2649387.2649449. ISBN  978-1-4503-2894-4. S2CID  17343957.
  9. ^ Piriyapongsa J, Ngamphiw C, Intarapanich A, Kulawonganunchai S, Assawamakin A, Bootchai C, Shaw PJ, Tongsima S (2012-12-13). "iLOCi: метод приоритизации взаимодействия SNP для обнаружения эпистаза в исследованиях ассоциаций на уровне всего генома". BMC Genomics . 13 (Suppl 7): S2. doi : 10.1186/1471-2164-13-S7-S2 . PMC 3521387 . PMID  23281813. 
  10. ^ abc Phillips PC (ноябрь 2008 г.). «Эпистаз — существенная роль взаимодействий генов в структуре и эволюции генетических систем». Nature Reviews. Genetics . 9 (11): 855–67. doi :10.1038/nrg2452. PMC 2689140. PMID  18852697 . 
  11. ^ ab Domingo E, Sheldon J, Perales C (июнь 2012 г.). «Эволюция вирусных квазивидов». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 76 (2): 159–216. doi :10.1128/mmbr.05023-11. PMC 3372249. PMID  22688811 . 
  12. ^ abc Tokuriki N, Tawfik DS (октябрь 2009 г.). «Эффекты стабильности мутаций и эволюционируемость белков». Current Opinion in Structural Biology . 19 (5): 596–604. doi :10.1016/j.sbi.2009.08.003. PMID  19765975.
  13. ^ abc He X, Qian W, Wang Z, Li Y, Zhang J (март 2010 г.). «Распространенный положительный эпистаз в метаболических сетях Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae». Nature Genetics . 42 (3): 272–6. doi :10.1038/ng.524. PMC 2837480 . PMID  20101242. 
  14. ^ Ридли М. (2004). Эволюция (3-е изд.). Blackwell Publishing.
  15. ^ ab Charlesworth B, Charlesworth D (2010). Элементы эволюционной генетики . Roberts and Company Publishers.
  16. ^ Ortlund EA, Bridgham JT, Redinbo MR, Thornton JW (сентябрь 2007 г.). «Кристаллическая структура древнего белка: эволюция путем конформационного эпистаза». Science . 317 (5844): 1544–8. Bibcode :2007Sci...317.1544O. doi :10.1126/science.1142819. PMC 2519897 . PMID  17702911. 
  17. ^ ab Cordell HJ (октябрь 2002 г.). «Эпистаз: что он означает, что он не означает и статистические методы его обнаружения у людей». Human Molecular Genetics . 11 (20): 2463–8. CiteSeerX 10.1.1.719.4634 . doi :10.1093/hmg/11.20.2463. PMID  12351582. 
  18. ^ abc Кауфман, Стюарт А. (1993). Происхождение порядка: самоорганизация и отбор в эволюции . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-507951-7.[ нужна страница ]
  19. ^ ab Bornscheuer UT, Huisman GW, Kazlauskas RJ, Lutz S, Moore JC, Robins K (май 2012 г.). «Инженерия третьей волны биокатализа». Nature . 485 (7397): 185–94. Bibcode :2012Natur.485..185B. doi :10.1038/nature11117. PMID  22575958. S2CID  4379415.
  20. ^ abc Azevedo RB, Lohaus R, Srinivasan S, Dang KK, Burch CL (март 2006 г.). «Половое размножение отбирает устойчивость и отрицательный эпистаз в искусственных генных сетях». Nature . 440 (7080): 87–90. Bibcode :2006Natur.440...87A. doi :10.1038/nature04488. PMID  16511495. S2CID  4415072.
  21. ^ Bonhoeffer S, Chappey C, Parkin NT, Whitcomb JM, Petropoulos CJ (ноябрь 2004 г.). «Доказательства положительного эпистаза при ВИЧ-1». Science . 306 (5701): 1547–50. Bibcode :2004Sci...306.1547B. doi :10.1126/science.1101786. PMID  15567861. S2CID  45784964.
  22. ^ Weinreich DM, Watson RA, Chao L (июнь 2005 г.). «Перспектива: эпистаз знаков и генетические ограничения на эволюционных траекториях». Эволюция; Международный журнал органической эволюции . 59 (6): 1165–74. doi : 10.1111/j.0014-3820.2005.tb01768.x . JSTOR  3448895. PMID  16050094.
  23. ^ Poelwijk FJ, Kiviet DJ, Weinreich DM, Tans SJ (январь 2007 г.). «Эмпирические ландшафты приспособленности выявляют доступные эволюционные пути». Nature . 445 (7126): 383–6. Bibcode :2007Natur.445..383P. doi :10.1038/nature05451. PMID  17251971. S2CID  4415468.
  24. ^ Казначеев, Артем (1 мая 2019 г.). «Вычислительная сложность как предельное ограничение эволюции». Генетика . 212 (1): 245–265. doi :10.1534/genetics.119.302000. PMC 6499524. PMID 30833289  . 
  25. ^ Флор, Э. (1970). «Взаимодействие морфогенетических генов бактериофага Т4». Журнал молекулярной биологии . 47 (3): 293–306. doi :10.1016/0022-2836(70)90303-7. PMID  4907266.
  26. ^ French-Mischo S (июль 2002 г.). «Синтетические летальные мутации». Кафедра микробиологии, Иллинойсский университет, Урбана. Архивировано из оригинала 2016-08-23 . Получено 2017-08-03 .
  27. ^ Кемпторн О (1969). Введение в генетическую статистику . Издательство Университета штата Айова. ISBN 978-0-8138-2375-1.
  28. ^ Лунцер М., Миллер СП., Фельсхайм Р., Дин АМ. (октябрь 2005 г.). «Биохимическая архитектура древнего адаптивного ландшафта». Science . 310 (5747): 499–501. Bibcode :2005Sci...310..499L. doi :10.1126/science.1115649. PMID  16239478. S2CID  28379541.
  29. ^ ab Crick, FH; Barnett, L-; Brenner, S.; Watts-Tobin, RJ (1961). «Общая природа генетического кода белков». Nature . 192 (4809): 1227–1232. Bibcode :1961Natur.192.1227C. doi :10.1038/1921227a0. PMID  13882203. S2CID  4276146.
  30. ^ Shakhnovich BE, Deeds E, Delisi C, Shakhnovich E (март 2005 г.). «Структура белка и эволюционная история определяют топологию пространства последовательностей». Genome Research . 15 (3): 385–92. arXiv : q-bio/0404040 . doi :10.1101/gr.3133605. PMC 551565 . PMID  15741509. 
  31. ^ Harms MJ, Thornton JW (август 2013 г.). «Эволюционная биохимия: выявление исторических и физических причин свойств белков». Nature Reviews. Genetics . 14 (8): 559–71. doi :10.1038/nrg3540. PMC 4418793. PMID 23864121  . 
  32. ^ Witt D (2008). «Последние разработки в области образования дисульфидных связей». Синтез . 2008 (16): 2491–2509. doi :10.1055/s-2008-1067188.
  33. ^ Bershtein S, Segal M, Bekerman R, Tokuriki N, Tawfik DS (декабрь 2006 г.). «Связь надежности и эпистаза формирует ландшафт приспособленности случайным образом дрейфующего белка». Nature . 444 (7121): 929–32. Bibcode :2006Natur.444..929B. doi :10.1038/nature05385. PMID  17122770. S2CID  4416275.
  34. ^ abc Steinberg B, Ostermeier M (январь 2016 г.). «Изменения окружающей среды перекидывают мосты через эволюционные долины». Science Advances . 2 (1): e1500921. Bibcode :2016SciA....2E0921S. doi :10.1126/sciadv.1500921. PMC 4737206 . PMID  26844293. 
  35. ^ Halabi N, Rivoire O, Leibler S, Ranganathan R (август 2009 г.). «Белковые секторы: эволюционные единицы трехмерной структуры». Cell . 138 (4): 774–86. doi :10.1016/j.cell.2009.07.038. PMC 3210731 . PMID  19703402. 
  36. ^ Neet KE, Koshland DE (ноябрь 1966 г.). «Преобразование серина в активном центре субтилизина в цистеин: «химическая мутация»». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 56 (5): 1606–11. Bibcode : 1966PNAS...56.1606N. doi : 10.1073/pnas.56.5.1606 . PMC 220044. PMID  5230319. 
  37. ^ Beveridge AJ (июль 1996 г.). «Теоретическое исследование активных участков папаина и трипсина крысы S195C: последствия низкой реактивности мутантных сериновых протеиназ». Protein Science . 5 (7): 1355–65. doi :10.1002/pro.5560050714. PMC 2143470 . PMID  8819168. 
  38. ^ Sigal IS, Harwood BG, Arentzen R (декабрь 1982 г.). «Тиол-бета-лактамаза: замена активного серина бета-лактамазы RTEM остатком цистеина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 79 (23): 7157–60. Bibcode : 1982PNAS...79.7157S. doi : 10.1073/pnas.79.23.7157 . PMC 347297. PMID  6818541 . 
  39. ^ ab Bernstein, H.; Edgar, RS; Denhardt, GH (1965). «Внутригенная комплементация среди температурно-чувствительных мутантов бактериофага T4D». Genetics . 51 (6): 987–1002. doi :10.1093/genetics/51.6.987. PMC 1210828 . PMID  14337770. 
  40. ^ CRICK FH; ORGEL LE (1964). «Теория межаллельной комплементации». Журнал молекулярной биологии . 8 : 161–165. doi :10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID  14149958.
  41. ^ Poelwijk FJ, Tănase-Nicola S, Kiviet DJ, Tans SJ (март 2011 г.). "Эпистаз взаимных знаков является необходимым условием для ландшафтов приспособленности с несколькими пиками" (PDF) . Журнал теоретической биологии . 272 ​​(1): 141–4. Bibcode :2011JThBi.272..141P. doi :10.1016/j.jtbi.2010.12.015. PMID  21167837.
  42. ^ Reetz MT, Sanchis J (сентябрь 2008 г.). «Построение и анализ ландшафта приспособленности экспериментального эволюционного процесса». ChemBioChem . 9 (14): 2260–7. doi :10.1002/cbic.200800371. PMID  18712749. S2CID  23771783.
  43. ^ Weinreich DM, Delaney NF, Depristo MA, Hartl DL (апрель 2006 г.). «Дарвиновская эволюция может следовать только очень немногим мутационным путям для получения более подходящих белков». Science . 312 (5770): 111–114. Bibcode :2006Sci...312..111W. doi :10.1126/science.1123539. PMID  16601193. S2CID  21186834.
  44. ^ Gong LI, Suchard MA, Bloom JD (май 2013 г.). «Эпистаз, опосредованный стабильностью, ограничивает эволюцию белка гриппа». eLife . 2 : e00631. doi : 10.7554/eLife.00631 . PMC 3654441 . PMID  23682315. 
  45. ^ Steinberg B, Ostermeier M (июль 2016 г.). «Изменение приспособленности и эпистатические ландшафты отражают компромиссы на эволюционном пути». Журнал молекулярной биологии . 428 (13): 2730–43. doi : 10.1016/j.jmb.2016.04.033 . PMID  27173379.
  46. ^ Конрад М. (1972). «Важность молекулярной иерархии в обработке информации». На пути к теоретической биологии (4). Издательство Эдинбургского университета Эдинбург: 222.
  47. ^ Конрад, Майкл (1979). «Бутстрэппинг на адаптивном ландшафте». BioSystems . 11 (2–3): 167–182. Bibcode : 1979BiSys..11..167C. doi : 10.1016/0303-2647(79)90009-1. hdl : 2027.42/23514 . PMID  497367.
  48. ^ Ридл, Руперт Дж. (1975). Die Ordnung des Lebendigen: Systembedingungen der Evolution . Гамбург и Берлин: Парей.
  49. ^ Ридл, Руперт Дж. (1977). «Системно-аналитический подход к макроэволюционным явлениям». Quarterly Review of Biology . 52 (4): 351–370. doi :10.1086/410123. PMID  343152. S2CID  25465466.
  50. ^ Лобковский А.Е., Вольф Ю.И., Кунин ЕВ. (декабрь 2011 г.). «Предсказуемость эволюционных траекторий в ландшафтах приспособленности». PLOS Computational Biology . 7 (12): e1002302. arXiv : 1108.3590 . Bibcode : 2011PLSCB...7E2302L. doi : 10.1371/journal.pcbi.1002302 . PMC 3240586. PMID  22194675 . 
  51. ^ Bridgham JT, Ortlund EA, Thornton JW (сентябрь 2009 г.). «Эпистатический храповик ограничивает направление эволюции глюкокортикоидных рецепторов». Nature . 461 (7263): 515–9. Bibcode :2009Natur.461..515B. doi :10.1038/nature08249. PMC 6141187 . PMID  19779450. 
  52. ^ Кондрашов АС (декабрь 1988). «Вредные мутации и эволюция полового размножения». Nature . 336 (6198): 435–40. Bibcode :1988Natur.336..435K. doi :10.1038/336435a0. PMID  3057385. S2CID  4233528.
  53. ^ MacCarthy T, Bergman A (июль 2007 г.). «Коэволюция надежности, эпистаза и рекомбинации благоприятствует бесполому размножению». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (31): 12801–6. Bibcode : 2007PNAS..10412801M. doi : 10.1073/pnas.0705455104 . PMC 1931480. PMID  17646644. 
  54. ^ ab Leclerc RD (август 2008 г.). «Выживание самых разреженных: надежные сети генов экономны». Молекулярная системная биология . 4 (213): 213. doi :10.1038/msb.2008.52. PMC 2538912. PMID  18682703 . 
  55. ^ Wade MJ, Goodnight CJ (апрель 2006 г.). «Цитоядерный эпистаз: двухлокусный случайный генетический дрейф у гермафродитных и раздельнополых видов». Эволюция; Международный журнал органической эволюции . 60 (4): 643–59. doi :10.1554/05-019.1. PMID  16739448. S2CID  41900960.
  56. ^ Хоровиц А. (1996). «Циклы двойных мутаций: мощный инструмент для анализа структуры и функции белка». Folding & Design . 1 (6): R121–6. doi :10.1016/s1359-0278(96)00056-9. PMID  9080186.
  57. ^ Chicco D, Faultless T (2021-03-18). «Краткий обзор машинного обучения в эпистазе». Эпистаз . Методы в молекулярной биологии. Том 2212. С. 169–179. doi :10.1007/978-1-0716-0947-7_11. ISBN 978-1-0716-0947-7. PMID  33733356. S2CID  232303194.
  58. ^ Мур Дж. Х., Эндрюс П. К. (2015-01-01). "Анализ эпистаза с использованием многофакторного снижения размерности". Эпистаз . Методы в молекулярной биологии. Том 1253. С. 301–14. doi :10.1007/978-1-4939-2155-3_16. ISBN 978-1-4939-2154-6. PMID  25403539.
  59. ^ Мур Дж. Х., Уильямс СМ., ред. (2015). Эпистаз: методы и протоколы . Методы в молекулярной биологии. Т. 1253. Springer. doi :10.1007/978-1-4939-2155-3. ISBN 978-1-4939-2154-6. S2CID  241378477.
  60. ^ Cordell HJ (июнь 2009 г.). «Обнаружение взаимодействий генов, лежащих в основе заболеваний человека». Nature Reviews. Genetics . 10 (6): 392–404. doi :10.1038/nrg2579. PMC 2872761. PMID  19434077 . 
  61. ^ Weinreich DM, Lan Y, Wylie CS, Heckendorn RB (декабрь 2013 г.). «Должны ли эволюционные генетики беспокоиться об эпистазе высшего порядка?». Current Opinion in Genetics & Development . Genetics of system biology. 23 (6): 700–7. doi : 10.1016/j.gde.2013.10.007. PMC 4313208. PMID  24290990. 
  62. ^ Poelwijk FJ, Krishna V, Ranganathan R (июнь 2016 г.). «Контекстная зависимость мутаций: связь формализмов». PLOS Computational Biology . 12 (6): e1004771. arXiv : 1502.00726 . Bibcode : 2016PLSCB..12E4771P . doi : 10.1371/journal.pcbi.1004771 . PMC 4919011. PMID  27337695. 
  63. ^ Poelwijk FJ, Socolich, M, Ranganathan R (сентябрь 2019 г.). «Изучение паттерна эпистаза, связывающего генотип и фенотип в белке». Nature Communications . 10 (1): 4213. Bibcode :2019NatCo..10.4213P. doi :10.1038/s41467-019-12130-8. PMC 6746860 . PMID  31527666. 
  64. ^ Otwinowski J, McCandlish DM, Plotkin JB (август 2018 г.). «Вывод формы глобального эпистаза». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (32): E7550–E7558. Bibcode : 2018PNAS..115E7550O. doi : 10.1073/pnas.1804015115 . PMC 6094095. PMID  30037990 . 
  65. ^ Sailer ZR, Harms MJ (март 2017 г.). «Обнаружение эпистаза высокого порядка в нелинейных картах генотип-фенотип». Genetics . 205 (3): 1079–1088. doi :10.1534/genetics.116.195214. PMC 5340324 . PMID  28100592. 
  66. ^ Маген, А (2019). «За пределами синтетической летальности: картирование ландшафта состояний парной экспрессии генов, связанных с выживанием при раке». Cell Reports . 28 (4): P938–948.E6. doi : 10.1016/j.celrep.2019.06.067 . PMC 8261641. PMID  31340155 . 

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Эпистаз .