Заработай в интернет-проекте мой бизнес онлайн

Половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от вредных

Рис. 1. Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Изображение с сайта wikimedia.org

В ходе эксперимента клетки бесполых популяций всегда находились в гаплоидной фазе и размножались исключительно почкованием. Чтобы они не спаривались, каждая популяция состояла из клеток только одного пола (шесть популяций a и шесть α).

Каждая половая популяция состояла из двух разнополых половинок, которые содержались раздельно в течение 90 поколений, а затем смешивались и помещались в условия, стимулирующие половой процесс. После этого отбирались диплоидные клетки, возникшие в результате спаривания, и помещались в условия, способствующие споруляции. Затем отбраковывались диплоидные клетки, не захотевшие превращаться в споры, а гаплоидные клетки, полученные из спор, разделялись по половому признаку и снова содержались раздельно в течение следующих 90 поколений.

Чтобы произвести все эти манипуляции, нужно иметь возможность быстро и эффективно отделять диплоидные клетки от гаплоидных, а также пол a от пола α. Для этого в геномы подопытных дрожжей были внесены генетические модификации. В частности, были добавлены гены устойчивости к двум антибиотикам, причем сделали это так, чтобы клетки а оказались устойчивы только к первому антибиотику, клетки α — только ко второму, а диплоидные клетки — к обоим. Благодаря другим модификациям только гаплоидные клетки пола a умели синтезировать гистидин, только гаплоидные клетки пола α могли производить лейцин, а синтез урацила могли осуществлять гаплоидные клетки обоих полов, но не диплоидные. В результате авторы получили возможность быстро отбирать нужные клетки и контролировать чистоту опыта, попеременно используя питательные среды, содержащие (или не содержащие) урацил, гистидин, лейцин и два антибиотика в разных комбинациях.

Условия содержания бесполых и половых популяций сделали настолько одинаковыми, насколько это было возможно. Все популяции были одинаковой численности (порядка 100 000 особей), содержались в одинаковых емкостях, при одинаковой температуре и на одинаковой питательной среде (YEPD). Что касается тех манипуляций, которые проводились с половыми популяциями, чтобы побудить их к половому процессу и споруляции, то некоторые из них проводились также и с бесполыми, а влияние остальных было проверено в серии дополнительных экспериментов, которые показали, что эти манипуляции сами по себе не сказываются на ходе эволюции. Были также проведены дополнительные эволюционные эксперименты, в которых бесполые популяции тоже состояли из двух половинок, содержавшихся раздельно в течение 90 поколений, а затем смешивавшихся (но только обе половинки были одного пола). Эти тоже не повлияло на результаты.

По прошествии 1000 поколений была измерена приспособленность подопытных популяций к тем условиям, в которых они эволюционировали. Для этого исходный (предковый) штамм, помеченный флюоресцентной меткой, смешивали в равной пропорции с тестируемым штаммом и выращивали в течение 30 поколений в тех же условиях, в которых проходил основной эксперимент, а потом подсчитывали долю меченых клеток. Чем она меньше, тем выше приспособленность тестируемого штамма. Оказалось, что половые популяции адаптировались лучше бесполых: у первых приспособленность выросла на 10–15%, у вторых — лишь на 5–10%. Таким образом, в очередной раз подтвердился вывод о том, что половое размножение ускоряет адаптацию.

Чтобы разобраться в молекулярных механизмах адаптации, авторы использовали полногеномное секвенирование. Через каждые 90 поколений секвенировались выборки из четырех половых и четырех бесполых популяций. Поскольку ДНК в каждой пробе происходила не из одной, а из множества клеток и использовался мощный секвенатор Illumina HiSeq 2500, эта процедура позволила выявить многие мутации, возникавшие в популяциях в ходе эволюционного эксперимента, а также проследить изменения частоты их встречаемости со временем. Идентификация редких мутаций чревата ошибками, поэтому авторы для надежности сосредоточились только на мутациях, частота которых в данной популяции достигала 10% хотя бы в два момента времени. Таким образом, мутации, не получившие заметного распространения, были проигнорированы.

Наборы мутаций, которые в итоге были зарегистрированы как «появившиеся» в ходе эксперимента, были сопоставлены с мутациями, которые к концу эксперимента зафиксировались, то есть имелись уже у всех клеток в данной популяции (рис. 2).

Половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от вредных

Рис. 2. Число всех появившихся мутаций (All) и тех из них, которые к концу эксперимента зафиксировались, то есть встречались у всех клеток в данной популяции (Fixed). Суммированы данные по четырем бесполым (Asexual) и четырем половым (Sexual) популяциям. Сиреневым цветом обозначены мутации в межгенных участках (intergenic), желтым — синонимичные (synonymous), синим — несинонимичные (nonsynonymous). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Оказалось, что во всех популяциях, как бесполых, так и половых, появилось примерно поровну новых мутаций (в среднем 44 на популяцию). Кроме того, среди зарегистрированных мутаций везде было примерно одинаковое соотношение несинонимичных (значимых, меняющих аминокислоту в белке), синонимичных (не меняющих белок) и межгенных (расположенных в некодирующих областях генома). Это значит, что процесс мутагенеза не различался в двух вариантах опыта.

Однако количество и состав зафиксировавшихся мутаций оказался совершенно разным в бесполых и половых популяциях. В первом случае зафиксировалось большинство (78%) зарегистрированных мутаций, в том числе 79% несинонимичных, 74% синонимичных и 78% межгенных. Иными словами, зафиксировались примерно равные доли мутаций всех трех типов. В половых популяциях всё было по-другому. Во-первых, зафиксировалось гораздо меньше мутаций (16% от общего числа зарегистрированных), во-вторых, зафиксировались в основном значимые мутации (22% от числа возникших), синонимичные не зафиксировались вовсе (0%), а межгенных закрепилось лишь 11% (рис. 2).

Этот результат отлично согласуется с идеей о том, что в половых популяциях фиксируются только полезные мутации (среди которых больше всего значимых, но есть и межгенные, находящиеся в регуляторных участках генома). Синонимичные мутации обычно нейтральны, и поэтому в половых популяциях они не фиксировались. В бесполых же популяциях вместе с немногочисленными полезными мутациями фиксировался весь их «генетический фон», включая вредные и нейтральные мутации, оказавшиеся в одном геноме с полезной. Разумеется, для этого необходимо, чтобы эффект полезной мутации перевешивал суммарные эффекты всех вредных мутаций, распространяющихся вместе с ней за счет «генетического автостопа».

Здесь необходимо пояснить, что в долгосрочной перспективе в природных популяциях фиксируется больше всего нейтральных мутаций, в том числе синонимичных. Но это происходит не за счет отбора, а за счет генетического дрейфа. Однако в рамках данного эксперимента дрейфом можно пренебречь. Для того, чтобы в популяции численностью 100 000 особей за счет дрейфа зафиксировалась новая нейтральная мутация, требуются временные интервалы порядка сотен тысяч поколений. Но эксперимент продолжался всего 1000 поколений, поэтому в подопытных популяциях за счет дрейфа ничего зафиксироваться не могло. Те мутации, которые в них зафиксировались, сделали это наверняка под действием отбора, а не дрейфа.

Таким образом, полученный результат показывает, что половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от всех прочих и закреплять только их, тогда как в бесполых популяциях вместе с немногочисленными полезными мутациями благодаря автостопу фиксируется много всякого мусора.

Этот вывод подтвердился при анализе динамики частоты встречаемости мутаций (рис. 3). В половых популяциях частоты разных мутаций менялись независимо друг от друга, а в бесполых большие группы функционально не связанных друг с другом мутаций меняли свою частоту синхронно. Первое соответствует индивидуальному действию отбора на отдельные участки генома, второе — клональной эволюции целых геномов. Кроме того, на рисунке 3 можно видеть, как в бесполых популяциях некоторые группы мутаций сначала быстро наращивают свою частоту, а потом их частота снижается вплоть до полного вымирания. Это — результат клональной интерференции, то есть вытеснения клонов с удачными мутациями другими клонами, обладающими еще более удачными мутациями. В половой популяции полезные мутации обоих клонов могли бы закрепиться, но в бесполой популяции они могут только конкурировать и вытеснять друг друга.

Половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от вредных

Рис. 3. Динамика частоты встречаемости новых мутаций в четырех бесполых (слева) и четырех половых популяциях. По горизонтальной оси — время в поколениях. Сплошные линии — несинонимичные мутации, крупный пунктир — синонимичные, мелкий пунктир — межгенные. Видно, что в половых популяциях мутации меняли свою частоту и фиксировались более или менее независимо друг от друга, тогда как в бесполых популяциях они делали это группами. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Чтобы еще детальнее разобраться во влиянии секса на молекулярную эволюцию, авторы попытались напрямую оценить влияние отдельных мутаций на приспособленность дрожжей. Для этого штамм, обладающий той или иной мутацией, скрещивали с предковой линией, а из гибридного потомства выделяли многочисленные клоны, содержащие эту мутацию в разных генетических контекстах. После этого следили, как растет или снижается частота мутации в ряду бесполых поколений во всех этих клонах, а результаты усредняли. Другой способ состоял в искусственном внедрении мутаций в геном предкового штамма.

Как и следовало ожидать, в каждой группе мутаций, зафиксировавшейся в бесполых популяциях (мы ведь помним, что при бесполом размножении мутации фиксируются группами), обнаружилась как минимум одна полезная мутация. Однако многие другие мутации, зафиксировавшиеся в бесполых популяциях, оказались нейтральными или вредными. Некоторые из них снижают приспособленность на 1–3%. Ясно, что они могли зафиксироваться только за счет автостопа. Идея о том, что в адаптирующихся бесполых популяциях могут закрепляться мутации со значительным вредным эффектом, высказывалась ранее, но экспериментально подтвердить ее удалось впервые.

Среди мутаций, зафиксировавшихся в половых популяциях, вредных или нейтральных обнаружить не удалось: все они оказались полезными. Правда, одна мутация, изменившая ген MET2 (кодирует фермент, участвующий в синтезе метионина), вредна в предковом генетическом контексте. Однако она полезна на фоне других мутаций, которые возникли ранее в данной подопытной линии. Зависимость полезности (и вообще фенотипического эффекта) мутации от генетического контекста называют эпистазом. Ранее уже было показано, что в эволюции дрожжей эпистаз играет некоторую роль, правда далеко не такую важную, как у бактерий (см.: Предсказуемый рост приспособленности достигается непредсказуемыми путями, «Элементы», 30.06.2014).

Данное исследование относится к числу работ, подтверждающих и раскрывающих на более глубоком, молекулярном уровне старые, классические эволюционные идеи (см.: А. В. Марков, Е. Б. Наймарк, 2014. Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий). В данном случае блестяще подтвердилась идея о том, что половое размножение ускоряет адаптацию, помогая отбору отделять полезные мутации от вредных. Благодаря половому размножению блокируются такие неблагоприятные для популяции процессы, как генетический автостоп, помогающий фиксироваться вредным мутациям, и клональная интерференция, обрекающая на гибель большинство вновь возникающих полезных мутаций.

Источник: elementy.ru

Заработай в интернет-проекте мой бизнес онлайн

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ