Кіріспе
Мутация деңгейіне байланысты генетикалық ақпараттың жоғалуы. Қателік апаты – жоғары мутация деңгейіне байланысты организмдер тізбегінде генетикалық ақпараттың жиынтық жоғалуы. Қателік апаты туындайтын мутация жылдамдығы қателік шегі деп аталады. Екі терминнің авторы – Манфред Эйген, ол квазитүрлер туралы математикалық эволюциялық теориясында оларды енгізген. Бұл термин көбінесе организмнің немесе вирустың тірі қалуға қабілетсіз деңгейге дейін мутациялардың жиналуына қатысты қолданылады, онда ол популяцияны сақтау үшін жеткілікті тірі ұрпақтарды өндіре алмайды. Лоуренс Лёб және оның әріптестері Эйгеннің бұл терминін ВИЧ-ті емдеу үшін мутагенді рибонуклеозид аналогтарын қолдана отырып, өлімге әкелетін мутагенез стратегиясын сипаттау үшін қабылдады. Бұл терминнің алғашқы қолданылуы 1963 жылы Лесли Оргельдің ұяшықтардың қартаю теориясында болған, онда белоктарды аударғандағы қателер, белок аудармасына қатысты белоктардың аудармасындағы қателерді күшейтеді, нәтижесінде ұяшық тірі қалуға қабілетсіз болады. Бұл теория эмпирикалық растама алған жоқ. Қателік апаты эволюцияның кейбір математикалық модельдерінде болжанады және эмпирикалық түрде де байқалады. Барлық организмдер сияқты, вирустар да көбейген кезде «қателер жасайды» (немесе мутацияланады). Нәтижесінде туындаған мутациялар популяциядағы биологиялық әртүрлілікті арттырады және иесінің иммундық жүйесінің оны келесі инфекция кезінде тану қабілетін төмендетеді. Вирус көбейген кезде қанша көп мутация жасаса, иммундық жүйе оны танудан аулақ болу ықтималдығы соғұрлым жоғары болады және оның популяциясы соғұрлым әртүрлі болады (биологиялық әртүрлілік туралы мақалада осының селективті артықшылықтары түсіндірілген). Дегенмен, егер ол тым көп мутация жасаса, ол өзіне пайдалы болған кейбір биологиялық ерекшеліктерін, соның ішінде көбею қабілетін жоғалтуы мүмкін. Сұрақ туындайды: вирустардың популяциясы өзіндік ерекшелігін жоғалта бастағанға дейін әрбір көбейген кезде қанша мутация жасауы мүмкін?
Error catastrophe refers to the cumulative loss of genetic information in a lineage of organisms due to high mutation rates. The mutation rate above which error catastrophe occurs is called the error threshold. Both terms were coined by Manfred Eigen in his mathematical evolutionary theory of the quasispecies. The term is most widely used to refer to mutation accumulation to the point of inviability of the organism or virus, where it cannot produce enough viable offspring to maintain a population. This use of Eigen's term was adopted by Lawrence Loeb and colleagues to describe the strategy of lethal mutagenesis to cure HIV by using mutagenic ribonucleoside analogs. There was an earlier use of the term introduced in 1963 by Leslie Orgel in a theory for cellular aging, in which errors in the translation of proteins involved in protein translation would amplify the errors until the cell was inviable. This theory has not received empirical support. Error catastrophe is predicted in certain mathematical models of evolution and has also been observed empirically. Like every organism, viruses "make mistakes" (or mutate) during replication. The resulting mutations increase biodiversity among the population and help subvert the ability of a host's immune system to recognise it in a subsequent infection. The more mutations the virus makes during replication, the more likely it is to avoid recognition by the immune system and the more diverse its population will be (see the article on biodiversity for an explanation of the selective advantages of this). However, if it makes too many mutations, it may lose some of its biological features which have evolved to its advantage, including its ability to reproduce at all. The question arises: how many mutations can be made during each replication before the population of viruses begins to lose self identity?
Ақпараттық теорияға негізделген тұжырымдама
Қателік апатынан аулақ болу үшін, мутация арқылы жоғалған ақпарат мөлшері, табиғи іріктеу арқылы алынған ақпараттан кем болуы керек. Бұл фактіні қолдану арқылы, көбінесе қолданылатын дифференциалдық түрдегі ұсынылым сияқты, бірдей теңдеулерге жетуге болады. Жоғалған ақпарат геном ұзындығы L-ға репликация қателік деңгейі q-ның көбейтіндісі ретінде сандық түрде бағалануы мүмкін. Тірі қалу ықтималдығы S, табиғи іріктеу арқылы қамтамасыз етілген ақпарат мөлшерін анықтайды – ал ақпарат, ықтималдықтың теріс логарифмі болып табылады. Сондықтан геном өзгеріссіз тек қана тірі қала алады, егер
Мысалы, L = 1 және q = 1 болатын өте қарапайым геном – бір биттен тұратын және үнемі мутацияға ұшырайтын геном. Lq 1-ге тең болғандықтан, S 1/2 немесе одан кем болуы керек. Бұл жағдайда, жартылай балалар ғана тірі қалады, атап айтқанда дұрыс геномға ие жартысы.
Қолданбалар
Полиомиелит немесе гепатит С сияқты кейбір вирустар критикалық мутация деңгейіне (яғни L-ға рұқсат етілген ең үлкен q) өте жақын жұмыс істейді. Вирустардың мутация деңгейін арттыру үшін дәрілер жасалды, олардың мақсаты – вирусты осы шектің артына итеру, нәтижесінде олардың өзіндік ерекшеліктерін жоғалту. Дегенмен, математикалық модельдің негізгі қағидаларына сын айтылғандықтан, бұл тәсіл мәселелі. Соның салдарынан биологтар үшін "қос қайшылық" – Эйгеннің парадоксы туындайды: әдетте, дәл көбейту үшін үлкен геномдар қажет (ферменттердің көмегімен жоғары көбейту жылдамдықтарына қол жеткізіледі), бірақ үлкен геномның сақталуы үшін жоғары дәлдік деңгейі q қажет. Ал қандайсы бірінші болады және бұл қалай жүзеге асырылады? Бұл қиындықтың мысалы: L тек 100-ге тең болса ғана мүмкін, егер q' 0,99 болса, бұл гендер тұрғысынан өте кішкентай тізбек ұзындығын білдіреді.