V dolgoletnem poskusu polimorfnih skupnosti Richarda Lenskega, ki je nastal iz istih bakterij • Alexander Markov • Znanstvene novice o "Elementih" • Evolucija, mikrobiologija, genetika

V dolgoletnem poskusu Richarda Lenskega, polimorfnih skupnosti, ki so nastale iz identičnih bakterij.

Sl. 1. Molekularni razvoj v 12 populacijah Escherichia coli. Prikazane so spremembe v pogostnosti pojavljanja vseh registriranih novih mutacij. Ob horizontalni osi – čas v generacijah. Slika iz obravnavanega članka vNarava

Dolgoročni evolucijski poskus na bakterije Escherichia coliki se dogaja že skoraj 30 let, je prinesel nove nepričakovane rezultate. Zaporedje DNK bakterij iz zamrznjenega fosilnega zapisa je pokazalo, da se več kot 60 000 generacij evolucija eksperimentalnih populacij ni ustavila in ni celo upočasnila. Najmanj 9 od 12 populacij je prišlo do ekološke diverzifikacije: prvotna monokultura je bila razdeljena na zaklade, povezane z ekološkimi interakcijami, in se niso izmenjevale drug od drugega. V vsaki skupini se evolucija nadaljuje s polno hitrostjo, nadaljnje spremembe pa vodijo tako prejšnja evolucijska zgodovina kot spreminjanje okoljskih razmer. Tako je bil razvoj "outsmart" raziskovalcev, ki so upali, da bodo proučili učinek mutacij in izbire med prilagajanjem na stabilne razmere v zelo preprostem umetnem sistemu.

Elementi so večkrat povedali o dolgoročnem evolucijskem poskusu, ki ga je leta 1988 pričel Richard Lensky (glej povezave na koncu novic). Med poskusom 12 so bile prvotno enake populacije Escherichia coli Escherichia coli Za več kot 60.000 generacij so jih gojili pod enakimi pogoji: v tekočem hranilnem mediju, kjer je glukoza edini vir hrane. Res je, da se je ena od populacij Ara-3 naučila jesti citrat, ki je v mediju prisotna kot pomožna snov (glej: V dolgoletnem poskusu je bilo zabeleženo postopno oblikovanje evolucijske inovacije, Elements, 25. septembra 2012). En dan na dan se iz vsake populacije vzame majhen delež (približno 107 celice) in presajeni v sveži hranilni medij, kjer se bakterije najprej hitro pomnožijo in potem, ko se izčrpa glukoza, se rast populacije upočasni. Vsako 500 generacij, del bakterij iz vsake populacije zamrzne za nadaljnje študije. Hkrati mikrobi ostanejo sposobni preživeti. Tako je raziskovalcem na voljo "živa paleontološka kronika" eksperimenta.

Čeprav so pogoji eksperimenta zelo enostavni, so bili številni njegovi rezultati nepričakovan.Na primer, logično bi bilo domnevati, da bo po kratkem obdobju hitrega prilagajanja (rasti fitnesa) na nove razmere prebivalstva dosežen optimalni rezultat (vzpenjali se bodo do vrhunca fitnesa, glej Fitnes pokrajino), izčrpal bo zalogo možnih koristnih mutacij, spremembe se bodo upočasnile in se bo pojavilo nedoločen čas evolucijska staza. To ni bilo tako: tudi po 50.000 generacijah so se koristne mutacije še vedno pojavile in sposobnost še naprej naraščala, čeprav se je upočasnila (glej: Novi rezultati iz dolgoročnega evolucijskega poskusa: sposobnost eksperimentalnih bakterij še naprej narašča, Elements, 12.23.2013) .

Poskus je bil prvotno načrtovan tako, da bi zmanjšali vse zapletene okoliščine, kot so spremembe okoljskih pogojev, genetske izmenjave in ekoloških interakcij med organizmi. Raziskovalci so želeli v čisti obliki postati najpreprostejši in najosnovnejši evolucijski proces – prilagoditev stabilnemu okolju, ki temelji na mutacijah in izboru. Vendar, kot je Leslie Orgel dobro poudaril, je "evolucija pametnejša od vas" (glej Orgelova pravila). Nov članek Lenskega in njegovih kolegov, objavljen 18. oktobra v reviji NaravaPokaže, da se ni bilo mogoče izogniti težavam. Izkazalo se je, da ekološke interakcije izhajajo iz samih eksperimentalnih populacij, ki temeljijo na diverzifikaciji in delitvi niš, kar povzroča, da se bakterije prilagodijo spreminjajočim biotičnim pogojem.

Avtorji so izvedli genetsko analizo celotnega zamrznjenega eksperimenta z "fosilnim zapisom", ki je nabral več kot 60.000 bakterijskih generacij in v skupni vrednosti približno 1.440 vzorcev (60.000 / 500 = 120 vzorcev za vsako od 12 populacij). Za vsak vzorec smo izvedli 50-kratno metagenomično analizo (glejte: Pokritost). To je bilo dovolj, da je mogoče zanesljivo identificirati vse nove mutacije, ki so se pojavile pri eksperimentalnih populacijah, in dosegla pogostost najmanj 10% (to je vsaj najmanj desetina bakterije) v vsaj dveh vzorcih. Mutacije, ki niso bile splošno sprejete, niso bile upoštevane, ker jih je težko ločiti od naključnih napak zaporedja.

Rezultat je bila podrobna rekonstrukcija evolucijskega procesa v 12 populacijah (slika 1). Ne smemo pozabiti, da skoraj vse spremembe v frekvencah alelov, opazne na sliki 1, odražajo delo naravne selekcije, in ne genetski drift (naključna nihanja v frekvencah alelov). Drift je veliko počasnejši.Učinkovito število eksperimentalnih populacij je približno 107In, če je bil določen kot število na novo mutacijo (frekvenca dosegla 1) zaradi drift, zahteva približno 10-krat7 generacij, to je več sto krat več kot minilo od začetka poskusa. Vse mutacije so dosegli znatno frekvenco v času poskusa, je to storila pod vplivom izbire. So bodisi sami bili koristni in podprli izbor, ali pa so bili v enem z genoma koristne mutacije in širi zaradi "genske štopal" (glej:. Genetskega hitchhiking), značilne za nespolnih prebivalstva (gl. Spolno razmnoževanje pomaga ločiti izbor koristnih mutacij iz škodljivo , "Elementi", 01.03.2016).

Kot je bilo že omenjeno, se je rast splošne kondicije (ki se meri s stopnjo reprodukcije v primerjavi s prvotnim, prednikov sev) upočasnila, vendar ni ustavil (slika 2a, glej podrobnosti v Novice Novi rezultati dolgoročni razvoj poskusa :. testne Fitnes bakterije še naprej raste. "Elementi", 23. 12. 2013). Stopnja kopičenja novih mutacij je ostala visoka (slika 2, b). V letu šest od dvanajstih prebivalstva določen alel mutators (mutacije, ki zmanjšujejo natančnost replikacije ali odškodnine), ki se pospešeno kot videz in fiksacije novih mutacij (bežijo do kart na sliki. 2, b).Nekoliko kasneje so se antimutatorni aleli začeli širiti v populacijah z mutatorji, kar je zmanjšalo stopnjo mutageneze. To je razvidno iz upočasnitve rasti števila mutacij v nekaterih populacijah z mutatorji (vbrizga na sliki 2, b).

Sl. 2 Dinamika sposobnosti in kopičenje mutacij v 12 populacijah. a – fitnes, ocenjen s hitrostjo razmnoževanja bakterij v primerjavi s prvotnim naporom (za več podrobnosti glej novice: novi rezultati dolgoročnega evolucijskega poskusa: sposobnost eksperimentalnih bakterij še naprej narašča, Elements, 12.23.2013). b – Povprečno število nakopičenih mutacij. Grafi, ki se širijo, močno ustrezajo šestim populacijam, v katerih se je stopnja mutagenosti povečala zaradi fiksiranja mutatornih alel (mutacije, ki zmanjšujejo natančnost replikacije ali popravila). Vstavka prikazuje dinamiko kopičenja mutacij v šestih populacijah z mutatorji. Bela črta povprečna dinamika je prikazana za populacije, v katerih mutatorji niso odpravili. Slika iz obravnavanega članka v Narava

Toda glavno odkritje avtorjev ni to. Evolucijska dinamika, prikazana na sl.1, se ne ujema z najpreprostejšim modelom, v skladu s katerim se prilagoditveni razvoj monokulture aseksualnih organizmov v stabilnih razmerah zmanjša na dosledno fiksacijo z izbiro novo nastalih koristnih mutacij.

Statistična obdelava podatkov, prikazana na sl. 1 je pokazala, da ta najpreprostejši model ne more razložiti opazovane slike, tudi ob upoštevanju takšnih zapletenih okoliščin, kot sta genetska avtomatizacija in klonska motnja (konkurenca med klonoma bakterij z različnimi koristnimi mutacijami, glej: Klonska motnja). Na primer, mnoge mutacije, ki so dosegle določeno frekvenco, nenadoma prenehajo širiti, to pomeni, da se premaknejo naprej k fiksiranju (to je naravni potek dogodkov, če ima klon s to mutacijo večjo pripravljenost kot druge bakterije v populaciji). Toda ti kloni ne izginejo, ker so izgubili konkurenco za klone z bolj uspešnimi mutacijami. Namesto tega frekvenca mutacije začne oscilirati okoli določene ravni. Ta nihanja lahko trajajo več deset tisoč generacij, stopnja okoli katere se lahko pojavijo nihanja, se sčasoma spremeni.

Metagenomični podatki, dobljeni za vsakega od 1440 vzorcev, so niz zaporednih kosov DNA, ki pripadajo različnim posameznikom. Zato je nemogoče takoj razumeti, katere mutacije pripadajo istemu klonu in katere mutacije pripadajo različnim. Vendar so avtorji to razumeli tako, da analizirajo konsistentnost sprememb frekvence mutacij s časom (ker se frekvence mutacij, ki so v istem genomu, sinhrono spreminjajo). Kot rezultat, se je izkazalo, da vsaj v devetih od dvanajstih eksperimentalnih populacij že dolgo (več kot 10.000 generacij) je obstajal stalni koeksistenčni obstoj vsaj dveh klikov (evolucijskih črt). V teh klajdih so se odvijali lastni evolucijski procesi, tj. Pojavile so se različne mutacije in bile določene (slika 3).

Sl. 3 Dolgoročno bogastvo sožitja v eksperimentalnih populacijah. a – Podrobna zgodovina populacije Ara-6. V zgornji sliki v različnih barvah Prikazane so mutacije "bazalne klape" (bazalna klada), iz katerih je kasneje nastala "glavna" klada (glavna skupina, druga zgornja risba) in "manjša" skupina (manjša skupina, tretja risba). Katera od zakladov je bila glavna in je bila sekundarna, je odvisna od njihove številke ob koncu opazovalnega obdobja. Na spodnji sliki kaže usodo izumrtih mutacij. – zgodovino vseh dvanajstih populacij, od katerih je bilo devet mogoče vzpostaviti sožitje dveh zakladov (vijolične in roza linije). Slika iz članka v razpravi Narava

To pomeni, da se je v večini eksperimentalnih populacij pojavila diverzifikacija okolja. Različne zaklade so nekako delile med seboj ekološke niše in začele soobstajati vztrajno, pri čemer se sedaj ne prilagajajo prvotno določenim stabilnim okoljskim razmeram, ampak specifičnemu in spremenljivemu biotičnemu okolju.

Ta pojav je bil prej ugotovljen v eni od dvanajstih populacij (Ara-2). Dve zakladnici, ki soobstajata v tej populaciji, imata drugačen metabolizem in v sebi koristijo odpadne proizvode drugega zaklada. Trajnostni soobstoj zagotavlja frekvenčno odvisna izbira izravnave. To pomeni, da je relativna pripravljenost klase višja, manjša je njegova populacija (J. Plucain et al., 2014. Epistaza in alelna specifičnost). Escherichia coli). Novi podatki so pokazali, da se je podobna situacija razvila v vsaj devetih od dvanajstih populacij. Tako okoljska diverzifikacija ni naključna epizoda, temveč splošen vzorec.

Analiza zgodovine posameznih zakladov je pokazala, da adaptivni razvoj znotraj zaklada še naprej poteka s polno hitrostjo: pojavijo se nove uporabne (za dane klate) mutacije, njihove frekvence rastejo pod vplivom izbire, skupaj z drugimi (ne tako koristnimi) mutacijami, ki se širijo s križiščem; Mnoge genske različice, ki so dosegle opazno pogostost, nato umrejo, ki jih nadomestijo bolj uspešni konkurenti. In vse to se ne dogaja več na obsegu celotne eksperimentalne populacije, temveč ločeno v vsakem zakladu. Zato je ocena prilagajanja bakterij glede na njihovo stopnjo rasti v primerjavi s prašičjem prednikom (slika 2, a) delno brez pomena: navsezadnje je njihova resnična sposobnost odvisna tudi od tega, kako dobro sodelujejo s predstavniki soobstoječih zakladov.

Statistična analiza porazdelitve mutacij s časom je pokazala, da so bile v nekaterih genih mutacije na začetku eksperimenta pretežno fiksirane (v zgodnjih fazah prilagajanja), medtem ko so se pri drugih genih pojavile mutacije le v kasnejših fazah. To je posledica treh razlogov, ki po mnenju avtorjev dejansko delujejo med eksperimentom (to ni mogoče dosledno dokazati, vendar so posredni statistični argumenti v prid resničnosti iz vseh treh razlogov).

Prvič, mutacije v nekaterih genih so najbolj koristne (največjo povečanje telesne pripravljenosti) za prvotni genotip, zato so te mutacije najprej določene, pri čemer med klonalnimi motnjami zamenjamo druge manj koristne mutacije v drugih genih. Ti slednji se začnejo razširjati kasneje, ko je že bila določena prva serija najbolj očitnih koristnih mutacij.

Drugič mutacije, ki so bile predhodno odpravljene, vplivajo na uporabnost ali škodljivost mutacij, ki se pojavijo pozneje (vpliv nekaterih genetskih variant na fenotipske manifestacije, vključno z uporabnostjo drugih, se imenuje epistaza, glej: Epistazo). Zato nekatere mutacije postanejo koristne in imajo možnost, da se popravijo šele po nastanku ustreznega genetskega konteksta zaradi drugih mutacij (glej: evolucija beljakovin je omejena z nizko prepustnostjo fitnesa, Elements, 09.02.2015). To je bilo povsem primerljivo z mutacijo, zaradi katere so bakterije iz populacije Ara-3 lahko jedli citrat (glej: V dolgoletnem poskusu je bilo zabeleženo postopno oblikovanje evolucijske inovacije, Elements, 25. september 2012).

Tretjič, Nastajajoča ekološka interakcija med klasištevima bistveno spreminja "pravila igre", s čimer se bakterije prilagajajo ne samo stabilnemu in izredno preprostemu okolju (kot so ga predvideli raziskovalci), ampak tudi v dinamičnem biotičnem okolju. To pomeni, da se smer selekcije ves čas spreminja in zato mutacije, ki so trenutno koristne za dano klado, ne bodo nujno koristne v drugem časovnem obdobju ali drugem zakladu.

Tako dolgoročni evolucijski poskus je zavračal precej poenostavljene ideje o tem, kako naj se aseksualna populacija prilagodi stabilnim okoljskim razmeram. Nič podobnega kot upočasnitev in ustavitev adaptivnega razvoja, ko se približujemo optimalnemu (vrhuncu na fitnesu), se stalež potencialno uporabnih mutacij ne izčrpa, celo njihova hitrost akumulacije praktično ne zmanjša. Namesto tega vidimo spontano zapletenost razvijajoče se skupnosti, ki se iz monokulture spremeni v ekosistem z razdeljenimi nišami in spremljajočimi zakladi in se v bližnji prihodnosti ne bo premaknil v stanje evolucijske staze.Torej, Leslie Orgel je seveda imel prav, kdo je pametnejši – evolucija ali teoretiki, ki mislijo, da vedo vse o njej.

Vir: Benjamin H. Dobro, Michael J. McDonald, Jeffrey E. Barrick, Richard E. Lenski in Michael M. Desai. Dinamika molekularne evolucije nad 60.000 generacijami // Narava. Objavljeno na spletu 18. oktobra 2017. DOI: 10.1038 / nature24287.

Glej tudi:
1) Rezultati evolucijskega preizkusa 40.000 generacij dolgo, "Elementi", 01.11.2009.
2) V dolgoletnem evolucijskem poskusu je bila razkrita izbira za "evolucijsko perspektivo", "Elementi", 25. 3. 2011.
3) V dolgoletnem poskusu je bilo 25. septembra 2012 zabeleženo postopno oblikovanje evolucijske inovacije "Elements".
4) Novi rezultati dolgoročnega evolucijskega poskusa: prilagodljivost eksperimentalnih bakterij še naprej narašča, "Elements", 12.23.2013.
5) Metode prilagajanja bakterij različnim temperaturami so se izkazale za predvidljive, "Elements", 16.3.2017.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: