Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Эволюциялық биология гипотезасы
Evolutionary biology hypothesis
Эволюциялық сыйымдылық – электр конденсаторлары зарядты сақтап, босататындай, өзгергіштікті сақтау және босату қабілеті. Тірі жүйелер мутацияларға төзімді келеді. Бұл, тірі жүйелер фенотиптік әсері жоқ генетикалық өзгергіштікті жинақтай алады дегенді білдіреді. Бірақ, жүйе бұзылғанда (мысалы, стресс әсерінен), төзімділік жойылады, өзгергіштік фенотиптік әсер ете бастайды және табиғи іріктеудің толық күшіне ұшырайды. Эволюциялық конденсатор – генетикалық өзгергіштікті жасырын және ашық күйлер арасында "көздерін ауыстыра" алатын молекулалық механизм. Егер жаңадан ашылған өзгергіштіктің бір бөлігі бейімделген болса, ол генетикалық ассимиляция арқылы бекітіледі. Содан кейін, қалған өзгергіштіктің көп бөлігі, көбінесе зиянды болып саналатын, тоқтатылуы мүмкін, нәтижесінде популяция жаңадан пайда болған артықшылықты қасиетке ие болады, бірақ ұзақ мерзімді зиянға ұшырамайды. Эволюциялық сыйымдылық осылайша эволюциялану қабілетін арттыру үшін, ауысу жылдамдығы генетикалық ассимиляцияның уақыт өлшемінен баяу болуы керек. Бұл механизм жаңа қоршаған орта жағдайларына жылдам бейімделуге мүмкіндік береді. Ауысу жылдамдығы стресс деңгейіне байланысты болуы мүмкін, бұл генетикалық өзгергіштікті бейімделу үшін ең қажетті кезде фенотипке әсер етуіне ықпал етеді. Сонымен қатар, өте зиянды өзгергіштік ішінара жасырын күйде бола тұра жойылуы мүмкін, сондықтан қалған жасырын өзгергіштік кездейсоқ мутациялардан гөрі бейімделуге бейім болады. Сыйымдылық фитнес ландшафтындағы "шығанақтардан" өтуге көмектеседі, онда екі мутацияның комбинациясы пайдалы болуы мүмкін, тіпті олардың әрқайсысы жеке-жеке зиянды болса да. Қазіргі уақытта, сыйымдылықтың табиғи популяциялардағы эволюцияға қаншалықты үлес қосатыны туралы бірлескен пікір жоқ. Эволюциялық сыйымдылық мүмкіндігі кеңейтілген эволюциялық синтездің құрамына кіреді. Төзімділікті генетикалық емес, фенотиптік өзгергіштікке ауыстыратын механизмдер сыйымдылық аналогиясына сәйкес келмейді, өйткені олардың болуы уақыт өте келе өзгергіштіктің жинақталуына себеп болмайды. Олар фенотиптік тұрақтандырғыштар деп аталады.
Evolutionary capacitance is the storage and release of variation, just as electric capacitors store and release charge. Living systems are robust to mutations. This means that living systems accumulate genetic variation without the variation having a phenotypic effect. But when the system is disturbed (perhaps by stress), robustness breaks down, and the variation has phenotypic effects and is subject to the full force of natural selection. An evolutionary capacitor is a molecular switch mechanism that can "toggle" genetic variation between hidden and revealed states. If some subset of newly revealed variation is adaptive, it becomes fixed by genetic assimilation. After that, the rest of variation, most of which is presumably deleterious, can be switched off, leaving the population with a newly evolved advantageous trait, but no long term handicap. For evolutionary capacitance to increase evolvability in this way, the switching rate should not be faster than the timescale of genetic assimilation. This mechanism would allow for rapid adaptation to new environmental conditions. Switching rates may be a function of stress, making genetic variation more likely to affect the phenotype at times when it is most likely to be useful for adaptation. In addition, strongly deleterious variation may be purged while in a partially cryptic state, so cryptic variation that remains is more likely to be adaptive than random mutations are. Capacitance can help cross "valleys" in the fitness landscape, where a combination of two mutations would be beneficial, even though each is deleterious on its own. There is currently no consensus about the extent to which capacitance might contribute to evolution in natural populations. The possibility of evolutionary capacitance is considered to be part of the extended evolutionary synthesis. Switches that turn robustness to phenotypic rather than genetic variation on and off do not fit the capacitance analogy, as their presence does not cause variation to accumulate over time. They have instead been called phenotypic stabilizers.
Ферменттердің ымыраға келуі
Өздерінің табиғи реакцияларынан өзге, көптеген ферменттер қосымша реакцияларды орындайды. Сол сияқты, байланыстырушы ақуыздар өз уақытының бір бөлігін мақсаттан тыс ақуыздарға байланыстыруға жұмсауы мүмкін. Бұл реакциялар немесе өзара әрекеттесулер қазіргі тіршілікке ешқандай қатысы болмауы мүмкін, бірақ өзгеше жағдайларда бейімделу эволюциясының бастапқы нүктесін құрауы мүмкін. Мысалы, антибиотикке қарсы тұру геніндегі бірнеше мутациялар B-лактамазада цефотаксимге қарсы тұруды тудырады, бірақ ампициллинге қарсы тұруға әсер етпейді. Тек ампициллинге ұшыраған популяцияларда мұндай мутациялар мүшелерінің аз бөлігінде кездесуі мүмкін, себебі тіршілікке зиян келтірмейді (яғни бейтарап желіде болады). Бұл жасырын генетикалық өзгергіштік, себебі егер популяция жаңадан цефотаксимге ұшыраса, азшылық мүшелері белгілі бір деңгейде қарсы тұру қабілетін көрсетеді.
In addition to their native reaction, many enzymes perform side reactions. Similarly, binding proteins may spend some proportion of their time bound to off target proteins. These reactions or interactions may be of no consequence to current fitness but under altered conditions, may provide the starting point for adaptive evolution. For example, several mutations in the antibiotic resistance gene B lactamase introduce cefotaxime resistance but do not affect ampicillin resistance. In populations exposed only to ampicillin, such mutations may be present in a minority of members since there is not fitness cost (i. e. are within the neutral network). This represents cryptic genetic variation since if the population is newly exposed to cefotaxime, the minority members will exhibit some resistance.
Қараушы
Шаперондар ақуыздардың дұрыс бүгілуіне көмектеседі. Ақуыздарды дұрыс бүгу қажеттілігі – ақуыз тізбектерінің эволюциясына үлкен шектеу болып табылады. Шаперондардың болуы бүгілу қателерге қосымша төзімділік беріп, генотиптердің кең ауқымын зерттеуге мүмкіндік береді деген гипотеза бар. Экологиялық стресс кезінде шаперондардың шамадан тыс жұмыс істеуі бұрын жасырын генетикалық өзгергіштікті "қосуы" мүмкін.
Chaperones assist in protein folding. The need to fold proteins correctly is a big restriction on the evolution of protein sequences. It has been proposed that the presence of chaperones may, by providing additional robustness to errors in folding, allow the exploration of a larger set of genotypes. When chaperones are overworked at times of environmental stress, this may "switch on" previously cryptic genetic variation.
Hsp90
Шаперондар эволюциялық конденсаторлар ретінде әрекет ете алады деген гипотеза Hsp90 жылулық шок ақуызымен тығыз байланысты. Hsp90 Drosophila melanogaster жеміс шырынында төмендетілгенде, әртүрлі фенотиптердің кең спектрі байқалады, мұнда фенотиптің сипаты генетикалық фонға байланысты. Дегенмен, бұл нәтиже жылжымалы элементтерге қатысты, қолданылған Hsp90 нокдаунының күштілігіне байланысты болуы мүмкін.
The hypothesis that chaperones can act as evolutionary capacitors is closely associated with the heat shock protein Hsp90. When Hsp90 is downregulated in the fruit fly Drosophila melanogaster, a broad range of different phenotypes are seen, where the identity of the phenotype depends on the genetic background. However, this finding regarding transposable elements may be dependent on the strong nature of the Hsp90 knockdown used in that experiment.
GroEL
Escherichia coli бактериясында GroEL-дің шамадан артық өндірілуі мутациялық тұрақтылықты арттырады. Бұл эволюцияға қабілеттілікті күшейтуі мүмкін.
The overproduction of GroEL in Escherichia coli increases mutational robustness. This can increase evolvability.
Ашытқы прионы [PSI+]
Sup35p – тоқтату кодондарын тануға және белоктардың соңында аударманы дұрыс тоқтатуға қатысатын ашытқы протеині. Sup35p қалыпты ([psi ]) және приондық ([PSI+]) формада кездеседі. [PSI+] болғанда, қолда бар қалыпты Sup35p мөлшері азаяды. Нәтижесінде, аударма тоқтату кодонынан өтетін қателердің көрсеткіші шамамен 0,3%-дан шамамен 1%-ға дейін артады. Бұл түрлі стрестік орталарда [PSI+] және [psi ] штамдарының өсу жылдамдығының айырмашылығына, кейде морфологиялық өзгерістерге алып келуі мүмкін. Кейде [PSI+] штаммы жылдам өседі, ал кейде [psi ]: бұл штаммның генетикалық фонға байланысты, яғни [PSI+] бұрыннан бар криптогенетикалық вариацияны пайдаланады. Математикалық модельдер [PSI+] эволюциялық конденсатор ретінде, эволюцияға қабілеттілікті арттыру үшін пайда болған болуы мүмкін деген жорамал жасайды. [PSI+] қоршаған ортаның стрессіне жауап ретінде жиірек пайда болады. Ашытқыда, [PSI+] прионын құрамайтын басқа таксондарда байқалатын немесе мутациялық бейімділіктен күтілетінге қарағанда, көбірек тоқтату кодонының жоғалуы кадр ішінде болады, бұл [PSI+] әсерін имитациялайды. Бұл байқаулар [PSI+] табиғатта эволюциялық конденсатор ретінде әрекет ететінімен сәйкес келеді. [PSI+] сияқты "виджет" болмаған жағдайда да қателік көрсеткішінің уақытша артуы спонтанды түрде пайда болуы мүмкін. [PSI+] сияқты виджеттің басты артықшылығы – генетикалық ассимиляциядан кейін қателік көрсеткішін төмендетудің келесі кезеңін жеңілдету болып табылады.
Sup35p is a yeast protein involved in recognising stop codons and causing translation to stop correctly at the ends of proteins. Sup35p comes in a normal form ([psi ]) and a prion form ([PSI+]). When [PSI+] is present, this depletes the amount of normal Sup35p available. As a result, the rate of errors in which translation continues beyond a stop codon increases from about 0.3% to about 1%. This can lead to different growth rates, and sometimes different morphologies, in matched [PSI+] and [psi ] strains in a variety of stressful environments. Sometimes the [PSI+] strain grows faster, sometimes [psi ]: this depends on the genetic background of the strain, suggesting that [PSI+] taps into pre existing cryptic genetic variation. Mathematical models suggest that [PSI+] may have evolved, as an evolutionary capacitor, to promote evolvability. [PSI+] appears more frequently in response to environmental stress. In yeast, more stop codon disappearances are in frame, mimicking the effects of [PSI+], than would be expected from mutation bias or than are observed in other taxa that do not form the [PSI+] prion. These observations are compatible with [PSI+] acting as an evolutionary capacitor in the wild. Similar transient increases in error rates can evolve emergently in the absence of a "widget" like [PSI+]. The primary advantage of a [PSI+] like widget is to facilitate the subsequent evolution of lower error rates once genetic assimilation has occurred.
Гендік нокаут
Гендік нокауттар эволюциялық конденсаторлар қызметін атқаратын жаңа гендерді немесе геномдық аймақтарды анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Генді жойғанда, оның жойылғандығы бұрын байқалмаған фенотиптік айырмашылықтарды ашатын болса, онда ол ген фенотиптік конденсатор ретінде жұмыс істейді. Егер осы айырмашылықтардың кез келгені бейімделуге қабілетті болса, онда ол эволюциялық конденсатор ретінде жұмыс істейді.
Gene knockouts can be used to identify novel genes or genomic regions which function as evolutionary capacitors. When a gene is knocked out, and its removal reveals phenotypic variation that was not previously observable, that gene is functioning as a phenotypic capacitor. If any of the variation is adaptive, it is functioning as an evolutionary capacitor.
Жеміс құстары
Кем дегенде 15 геннің жетіспеушілігі Drosophila melanogaster-дің қанатының пішінінде жасырын айырмашылықтарды ашады. Бұл гендерді жоюдың (нокауттардың) кейбіреуі зиянды салдарға алып келсе, алған өзгерістердің арасында аэродинамикаға аз әсер ететіні және тіпті жеке дарақтың ұшу қабілетін жақсарта алатындары да бар.
Deficiency in at least 15 different genes reveals cryptic variation in wing morphology in Drosophila melanogaster. While some of the variation revealed by these knockouts is deleterious, other variation has a relatively minor effect on aerodynamics, and could even improve the flight capability of an individual.
Ашытқы
Ашытқыда белгілі бір хроматинді реттейтін гендердің жойылуы (нокауты) ашытқы түрлері арасындағы экспрессия айырмашылықтарын арттырады. Белсенің экспрессиясындағы өзгерістердің көп бөлігі транс-әсерлерге байланысты, бұл транс-реттеу процестерінің канализацияға күшті қатысуын көрсетеді. Хроматинді реттеушілерден өзгеше, метаболизм ферменттерін кодтайтын гендерді жою түрлер арасындағы экспрессия айырмашылығына тұрақты әсер етпейді, әртүрлі фермент нокауттары экспрессия айырмашылығын арттыруы, азайтуы немесе айтарлықтай әсер етпеуі мүмкін. Ашытқыдағы кең ауқымды нокауттар кем дегенде 300 генді анықтады, олардың болмауы ашытқы жеке тұлғалары арасындағы морфологиялық айырмашылықты арттырады. Бұл «конденсаторлық» гендер гендік онтологияның бірнеше маңызды салаларын қамтиды, соның ішінде хромосомалық ұйымдастыру және ДНК тұтастығы, РНК ұзарту, белок модификациясы, жасуша циклы және стресс сияқты стимулдарға жауап беру. Жалпы алғанда, конденсаторлық гендер жасушаның интерактомында және синтетикалық өлімге әкелетін өзара әрекеттесу желісінде желілік орталықтар ретінде әрекет ететін ақуыздарды экспресстеуі мүмкін. Белгілі бір геннің фенотиптік конденсатор ретінде әрекет ететіндігіне сенімділік, оның экспрессияланатын ақуызы үшін байқалатын ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулерінің санымен байланысты. Дегенмен, ең көп өзара әрекеттесуі бар ақуыздар фенотиптік сыйымдылығын азайтады, мүмкін геномда осы ақуыздарды кодтайтын аймақтардың көбеюіне байланысты, бұл бір нокауттың әсерін азайтады. Конденсаторлық гендердің геномда басқа жерде паралогтары болуы сирек; ашытқыда анықталған конденсаторлардың көпшілігі жеке гендер немесе экспрессиясы жағынан айтарлықтай өзгешеленген тарихи паралогтар болып табылады. Жеке және дубликатталған конденсаторлар интерактомда көбінесе өзара байланыссыз мінез-құлық көрсетеді. Жеке конденсаторлар көбінесе жоғары байланысты кешендердің (мысалы, медиатор кешенінің) құрамында болады, ал дубликатталған конденсаторлар көбірек байланысты және бірнеше ірі кешендермен өзара әрекеттеседі. Жеке және дубликатталған конденсаторлардың гендік онтологиялары да айтарлықтай өзгешеленеді. Жеке конденсаторлар ДНК-ны сақтау және ұйымдастыру, стимулдарға жауап беру және РНК транскрипциясы мен локализациясы санаттарында шоғырланған, ал дубликатталған конденсаторлар ақуыздық метаболизм және эндоцитоз санаттарында шоғырланған.
In yeast, the knockout of certain chromatin regulating genes increases the differences in expression between yeast species. The majority of the variation in protein expression is attributable to trans effects, suggesting that trans regulatory processes are strongly involved in canalization. Unlike the chromatin regulators, the removal of genes which code for metabolic enzymes does not have a consistent effect on the difference in expression between species, with different enzyme knockouts either increasing, decreasing, or not significantly affecting the expression difference. Broader knockout samples in yeast have identified at least 300 genes which, when absent, increase morphological variation between yeast individuals. These capacitor genes predominantly occupy a few key domains in gene ontology, including chromosome organization and DNA integrity, RNA elongation, protein modification, cell cycle, and response to stimuli such as stress. More generally, capacitor genes are likely to express proteins which act as network hubs in the interactome of a cell, and in the network of synthetic lethal interactions. The confidence that a specific gene acts as a phenotypic capacitor is correlated with the number of protein protein interactions observed for its expressed protein. However, proteins with the highest amount of interactions have reduced phenotypic capacitance, possibly due to increased duplication of regions coding these proteins in the genome, reducing the effect of a single knockout. Capacitor genes are less likely to have paralogs elsewhere in the genome; most capacitors identified in yeast are either singleton genes, or have historical paralogs from which they have diverged substantially in terms of expression. Singleton and duplicate capacitors largely exhibit disjoint behavior in the interactome. Singleton capacitors are most often part of highly interconnected complexes (such as the mediator complex), while duplicate capacitors are more highly connected and tend to interact with multiple large complexes. The gene ontologies of singleton and duplicate capacitors also differ notably. Singleton capacitors are concentrated in the categories of DNA maintenance and organization, response to stimuli, and RNA transcription and localization, whereas duplicate capacitors are concentrated in the categories of protein metabolism and endocytosis.
Артықшылық
Ашытқыдағы фенотиптік конденсаторлық гендердің механизмі геномның әртүрлі деңгейлеріндегі функционалдық артықтықтың түрлерімен тығыз байланысты болып көрінеді. Геномның басқа жерінде паралогтары жоқ, маңызды белоктарды синтездеуге қажетті кодтау аймақтары алынып тасталғанда өлімге алып келеді. Керісінше, көптеген паралогтары немесе күшті экспрессияланған паралогтары бар кодтау аймақтары алынып тасталғанда жалпы экспрессияға (әсіресе транс-реттегіш экспрессияға) минималды әсер етеді. Синглтондық және дубликат конденсаторлардың екеуі де толық емес функционалдық артықтықтың мысалдары болып табылады; дубликат конденсаторлардың дифференциалды экспрессияланған паралогтары бастапқы геннің қызметінің бір бөлігін сақтайды, ал синглтондық конденсаторлар орналасқан белок-белок өзара әрекеттесу кешендері көбінесе үстіртен жабатын қызмет көрсетеді. Жалпы алғанда, ашытқыда нокауттар арқылы анықталған фенотиптік конденсаторлар бірнеше маңызды реттеуші аймақтарда экспрессияланатын гендер болып табылады, олар алынып тасталғанда өлімге алып келмейді, бірақ толық қызметті сақтау үшін жеткілікті артықтыққа ие емес. Функционалдық артықтық тұжырымы конденсаторлық гендердің қатысатын көптеген синтетикалық өлімге әкелетін өзара әрекеттесулерде де болуы мүмкін. Геннің қызметі паралог немесе функционалдық аналог арқылы қалпына келтірілгенде, оны алып тастау өлімге әкелмейді, бірақ ген мен оның артықтығы алынып тасталғанда, нәтиже өлімге алып келеді.
The mechanism of phenotypic capacitor genes in yeast appears to be closely related to the modalities of functional redundancy at various levels of the genome. Coding regions that are necessary for the synthesis of key proteins which do not have paralogs elsewhere in the genome are lethal when removed. Conversely, coding regions with many paralogs or strongly expressed paralogs have a minimal effect on overall expression (especially trans regulatory expression) when removed. Singleton and duplicate capacitors both largely represent instances of incomplete functional redundancy; differentially expressed paralogs of duplicate capacitors continue some functionality of the original gene, and the protein protein interaction complexes within which singleton capacitors reside largely exhibit overlapping functionality. In general the phenotypic capacitors identified by knockouts in yeast are genes expressed in several key regulatory areas which, while non lethal when removed, do not have enough redundancy to maintain complete functionality. The concept of functional redundancy may also be involved in the high number of synthetic lethal interactions which capacitor genes participate in. When a gene has its functionality resumed by a paralog or functional analog, its removal is not inherently lethal, however when the gene and its redundancy are removed, the result is lethality.
Симуляциялар
Комплексті гендік өзара әрекеттесу желілеріндегі гендердің жойылғандығын есептеулік модельдеу, көптеген, және мүмкін барлық экспрессияланатын гендер алынғанда қандай да бір фенотиптік өзгерістерді көрсетуге қабілетті екенін, ал бұрын анықталған «конденсаторлық» гендер – осының айқын мысалдары ғана екенін көрсетті. Осылайша, конденсация – бұл күрделі гендік желілерде канализациямен бірге туындайтын қасиет.
Computational simulations of knockouts in complex gene interaction networks have demonstrated that many, and possibly all expressed genes have the potential to reveal phenotypic variation of some kind when removed, and that previously identified capacitor genes are simply especially strong examples. Capacitance, then, is simply a feature of complex gene networks that arises in conjunction with canalization.
Факультативті жынысы
Рецессивті мутациялар, егер олар гомозиготаларға қарағанда гетерозиготаларда басым түрде кездессе, жасырын деп есептелуі мүмкін. Өзіне-өзі тозаңдану түрінде болатын факультативті жыныстық көбею, негізінен жыныссыз популяцияда гомозиготаларды жасау арқылы эволюциялық конденсатор рөлін атқара алады. Ауткроссинг түрінде болатын факультативті жыныстық көбею, әдетте бір-бірін жоятын фенотиптік әсерлері бар аллельдік комбинацияларды бұзу арқылы эволюциялық конденсатор рөлін атқара алады.
Recessive mutations can be thought of as cryptic when they are present overwhelmingly in heterozygotes rather than homozygotes. Facultative sex that takes the form of selfing can act as an evolutionary capacitor in a primarily asexual population by creating homozygotes. Facultative sex that takes the form of outcrossing can act as an evolutionary capacitor by breaking up allele combinations with phenotypic effects that normally cancel out.