Исследование: Генетическая предсказуемость неуклонно разрушается в ходе эволюции

Прочитано: 139 раз(а)


Важнейшей целью генетики и эволюции является предсказание последствий мутаций, которые могут произойти в будущем, и вывод о последствиях тех, которые произошли в прошлом. Чтобы сделать эти прогнозы, ученые обычно предполагают, что эффекты мутации, проверенные в настоящем, применимы к прошлым и будущим версиям одного и того же гена.

Это предположение оказывается неверным для большинства мутаций, показывает новое исследование ученых Чикагского университета. Объединив передовые методы экспериментальной биохимии и эволюционную реконструкцию древних белков, исследование напрямую измерило, как эффекты каждой возможной мутации в биологически важном гене менялись на протяжении 700 миллионов лет эволюции. По мере развития гена эффекты большинства мутаций постоянно и случайным образом менялись, часто переходя от очень вредных к несущественным или наоборот.

Исследование: Генетическая предсказуемость неуклонно разрушается в ходе эволюции

Этот постоянный дрейф делает невозможным надежное предсказание эффектов большинства мутаций в будущем или в прошлом. Полученные данные также подразумевают, что потенциальная судьба мутации в ходе эволюции определяется не только естественным отбором, но и определенным набором случайных событий, которые произошли в ходе истории гена. Эти события определяют эффект, который каждая мутация оказывает в каждый момент времени, и, следовательно, вероятность того, что она будет включена в ген в ходе эволюции.

«Многие думают, что естественный отбор оптимизировал все наши гены , чтобы они выполняли свою работу наилучшим образом», — сказал Джозеф Торнтон, доктор философии, профессор экологии, эволюции и генетики человека в Калифорнийском университете в Чикаго и старший автор исследования. «Наши результаты показывают, что современные гены являются результатом определенного каскада случайных, но последовательных случайных событий, каждое из которых определяет следующие шаги, которые эволюция может предпринять в любой момент истории».

Исследование «Эпистатический дрейф вызывает постепенное снижение предсказуемости в эволюции белка» было опубликовано 20 мая в журнале Science.

Генетическое сканирование на протяжении 700 миллионов лет эволюции

Чтобы провести первое всестороннее исследование изменений эффектов мутаций с течением времени, Торнтон и его команда — первый автор и аспирант Пак Йонву и научный сотрудник Брайан П. Х. Мецгер, доктор философии — объединили передовые методы из двух областей. Они сосредоточились на семействе генов, кодирующих рецепторы стероидных гормонов. Эти внутриклеточные белки регулируют действие эстрогена, тестостерона и кортизола на репродукцию, развитие, иммунитет и широкий спектр рака и других заболеваний. Рецепторы, обнаруженные сегодня почти у всех животных, произошли от одного общего предка около 700 миллионов лет назад.

Используя метод, впервые примененный в лаборатории Торнтона , команда сначала реконструировала ген предка всего семейства, проследив эволюцию в обратном направлении вниз по древу жизни, начиная с огромной базы данных современных генов рецепторов. Они также реконструировали серию из восьми других генов в семье, которые встречались в разное время между этим глубинным предком и настоящим. Они синтезировали ДНК для каждого из этих древних генов, чтобы иметь возможность экспериментально изучить их в своей лаборатории.

Начав с этих древних генов, они использовали новый биохимический метод, называемый глубоким мутационным сканированием, который одновременно измеряет эффекты массивных коллекций мутаций. Аспирант Пак, используя стратегию, разработанную им и Метцгером, спроектировал все возможные мутации в каждом участке генной последовательности всех девяти реконструированных рецепторов — всего более 25 000 мутаций. Они включили эти библиотеки мутантов в дрожжи, а затем использовали лазерную технологию, называемую сортировкой клеток, активируемой флуоресценцией, в сочетании с секвенированием (Sort-seq), чтобы измерить способность каждого мутанта выполнять свою биологическую функцию.

С помощью этого огромного набора данных исследователи проследили, как эффект каждой мутации менялся на протяжении глубокого эволюционного времени. Это изменение эффекта может произойти из-за того, что воздействие мутации в одном участке гена иногда зависит от состояния в других участках — явление, называемое эпистазом. Если эпистатические сайты изменяются по мере эволюции гена, то и эффекты мутаций, с которыми он взаимодействует в других сайтах, также будут меняться.

Хотя существование эпистатических взаимодействий хорошо известно, степень их влияния на ход эволюции никогда всесторонне не изучалась. Основные эволюционные теории предполагают, что эпистаз встречается редко, поэтому эффекты большинства мутаций остаются постоянными с течением времени. В результате считается, что эволюция в значительной степени предсказуема в будущем — или ретроспективно интерпретируется в прошлом — на основе генетических экспериментов , которые проводятся в настоящем.

«Мы были удивлены тем, насколько распространен эпистатический дрейф, а также тем, насколько постепенным и устойчивым он кажется», — сказал Парк, докторант в области генетики, геномики и системной биологии. «Большие эпизодические скачки были редкостью. Некоторые мутации распространяются быстро, некоторые медленнее, но каждая из них постепенно забывает эффекты, которые она когда-то имела у предка, и в будущем она в конечном итоге забудет эффекты, которые она имеет сегодня».

Количественная оценка непредсказуемости

Практическая польза от работы группы заключается в том, что она дает ученым возможность количественно оценить будущую непредсказуемость с помощью экспериментов. Торнтон привел в качестве примера SARS-CoV2.

«Постоянно появляются новые варианты вируса, и мы хотели бы предсказать, могут ли они быть опасными или станут опасными с дальнейшими мутациями», — сказал Торнтон. «Наши результаты означают, что глубокое мутационное сканирование одной версии вируса не может дать надежных прогнозов, поскольку вирус постепенно отдаляется от этой старой версии. мы проводили для рецепторов стероидных гормонов — мы будем знать, насколько вероятно изменение эффекта каждой отдельной мутации в течение заданного периода эволюционного времени. мутация любого будущего вируса».

Торнтон и Парк в настоящее время расширяют исследование, чтобы охарактеризовать не только одиночные мутации, но и все возможные пары мутаций, которые могли произойти в рецепторах. Эти эксперименты, которые охватывают миллионы, а не тысячи мутаций , позволят команде проанализировать все генетические взаимодействия, которые вызвали эпистатический дрейф во время долгосрочной эволюции семейства рецепторов.

«Этот новый проект раскроет причины эпистатического дрейфа, которые мы обнаружили в первом исследовании», — сказал Пак. «Мы ожидаем, что это покажет нам, как эволюция формируется огромным набором генетических взаимодействий в рецепторе или любом другом белке — как изменения в каждом отдельном участке гена изменяют биологический эффект изменений в любом другом участке и, таким образом, перестраивают его. эволюционный потенциал во времени».

Исследование: Генетическая предсказуемость неуклонно разрушается в ходе эволюции



Новости партнеров