Эволюционная ёмкость: скрытый резерв изменчивости для адаптации.

Введение

Гипотеза эволюционной биологии

Эволюционная ёмкость – это накопление и высвобождение изменчивости, подобно тому, как электрические конденсаторы накапливают и высвобождают заряд. Живые системы устойчивы к мутациям. Это означает, что живые системы накапливают генетическую изменчивость без проявления фенотипического эффекта. Однако, когда система подвергается воздействию (например, стрессу), устойчивость нарушается, и изменчивость проявляется в фенотипе и подвергается полному воздействию естественного отбора. Эволюционный конденсатор – это молекулярный переключатель, способный «переводить» генетическую изменчивость между скрытым и проявленным состояниями. Если некоторая часть вновь проявившейся изменчивости является адаптивной, она фиксируется посредством генетической ассимиляции. После этого остальная изменчивость, большая часть которой, предположительно, вредна, может быть отключена, оставляя популяцию с вновь приобретённым полезным признаком, но без долгосрочных негативных последствий. Для того чтобы эволюционная ёмкость повышала эволюционируемость таким образом, скорость переключения не должна превышать временной масштаб генетической ассимиляции. Этот механизм позволяет быстро адаптироваться к новым условиям окружающей среды. Скорость переключения может зависеть от уровня стресса, делая генетическую изменчивость более склонной влиять на фенотип в периоды, когда она наиболее вероятно будет полезна для адаптации. Кроме того, сильно вредная изменчивость может быть удалена, находясь в частично скрытом состоянии, поэтому скрытая изменчивость, которая остаётся, с большей вероятностью будет адаптивной, чем случайные мутации. Эволюционная ёмкость может помочь преодолеть «долины» в ландшафте приспособленности, где комбинация двух мутаций будет выгодной, хотя каждая из них сама по себе вредна. В настоящее время нет единого мнения относительно того, в какой степени ёмкость может способствовать эволюции в естественных популяциях. Возможность эволюционной ёмкости рассматривается как часть расширенного эволюционного синтеза. Переключатели, которые включают и выключают устойчивость к фенотипической, а не генетической изменчивости, не соответствуют аналогии с ёмкостью, поскольку их присутствие не приводит к накоплению изменчивости с течением времени. Вместо этого их называют фенотипическими стабилизаторами.

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.

Энзимная распущенность

В дополнение к своей основной реакции, многие ферменты осуществляют побочные реакции. Аналогично, связывающие белки могут часть времени быть связанными с белками, не являющимися их целевыми. Эти реакции или взаимодействия могут не иметь значения для текущей приспособленности, но при изменившихся условиях могут послужить отправной точкой для адаптивной эволюции. Например, несколько мутаций в гене резистентности к антибиотикам β-лактамаза приводят к резистентности к цефотаксиму, но не влияют на резистентность к ампициллину. В популяциях, подвергающихся воздействию только ампициллина, такие мутации могут присутствовать у небольшой части особей, поскольку не несут затрат на приспособленность (то есть находятся в пределах нейтральной сети). Это представляет собой скрытую генетическую изменчивость, поскольку при новом воздействии цефотаксима особи, несущие эти мутации, проявят некоторую устойчивость.

Сопровождающие

Шапероны помогают в правильном сворачивании белков. Необходимость корректного сворачивания белков является серьезным ограничением для эволюции аминокислотных последовательностей. Предполагается, что наличие шаперонов, обеспечивая дополнительную устойчивость к ошибкам сворачивания, может позволить исследовать более широкий спектр генотипов. Когда шапероны перегружены во время стрессовых воздействий, это может "активировать" ранее скрытую генетическую изменчивость.

Hsp90

Гипотеза о том, что шапероны могут выступать в роли эволюционных конденсаторов, тесно связана с белком теплового шока Hsp90. При подавлении экспрессии Hsp90 у плодовой мушки Drosophila melanogaster наблюдается широкий спектр различных фенотипов, при этом характер фенотипа зависит от генетического фона. Однако этот вывод, касающийся транспозонов, может быть обусловлен высокой степенью подавления экспрессии Hsp90, использованной в данном эксперименте.

GroEL (полное название)

Избыточная продукция GroEL в Escherichia coli повышает мутационную устойчивость. Это может увеличить способность к эволюции.

Прион дрожжей [PSI+]

Sup35p – это белок дрожжей, участвующий в распознавании стоп-кодонов и обеспечении правильной остановки трансляции на концах белков. Sup35p существует в нормальной форме ([psi-]) и в прионной форме ([PSI+]). При наличии [PSI+] происходит истощение количества доступного нормального Sup35p. В результате, частота ошибок, при которых трансляция продолжается за стоп-кодоном, увеличивается примерно с 0,3% до 1%. Это может приводить к различным темпам роста и, иногда, к различным морфологиям у сопоставимых штаммов [PSI+] и [psi-] в различных стрессовых условиях. В некоторых случаях штамм [PSI+] растет быстрее, в других – [psi-]: это зависит от генетического фона штамма, что указывает на то, что [PSI+] использует существующую скрытую генетическую изменчивость. Математические модели предполагают, что [PSI+] мог эволюционировать как «эволюционный конденсатор» для повышения способности к эволюции. [PSI+] чаще возникает в ответ на стресс окружающей среды. У дрожжей наблюдается больше случаев исчезновения стоп-кодонов в открытой рамке считывания, имитирующих эффекты [PSI+], чем можно было бы ожидать, исходя из мутационного смещения, или чем наблюдается у других таксонов, не формирующих прион [PSI+]. Эти наблюдения согласуются с тем, что [PSI+] действует как эволюционный конденсатор в естественных условиях. Подобное временное увеличение частоты ошибок может возникать и без «модуля», такого как [PSI+]. Основное преимущество модуля типа [PSI+] заключается в облегчении последующей эволюции более низких показателей ошибок после произошедшей генетической ассимиляции.

Генетические нокауты

Геновые нокауты могут быть использованы для выявления новых генов или геномных областей, функционирующих как эволюционные конденсаторы. Когда ген выключается, и его удаление обнаруживает фенотипическую изменчивость, которая ранее не была наблюдаема, этот ген выполняет роль фенотипического конденсатора. Если какая-либо из этой изменчивости является адаптивной, она функционирует как эволюционный конденсатор.

Фруктовые мухи

Дефицит как минимум 15 различных генов выявляет скрытую изменчивость в морфологии крыльев у Drosophila melanogaster. В то время как часть изменчивости, проявленной этими нокаутами, является вредной, другая оказывает относительно небольшое влияние на аэродинамику и даже может улучшить лётные возможности особи.

Дрожжи

В дрожжах выключение определенных генов, регулирующих хроматин, увеличивает различия в экспрессии между видами дрожжей. Большая часть вариации в экспрессии белков обусловлена транс-эффектами, что указывает на сильное участие транс-регуляторных процессов в стабилизации признаков. В отличие от регуляторов хроматина, удаление генов, кодирующих метаболические ферменты, не оказывает стабильного влияния на разницу в экспрессии между видами: выключение разных ферментов либо увеличивает, либо уменьшает, либо не оказывает существенного влияния на эту разницу. Более масштабные исследования нокаутов в дрожжах выявили как минимум 300 генов, отсутствие которых увеличивает морфологическую изменчивость между отдельными дрожжами. Эти гены-капациторы преимущественно представлены в нескольких ключевых областях генной онтологии, включая организацию хромосом и целостность ДНК, элонгацию РНК, модификацию белков, клеточный цикл и реакцию на стимулы, такие как стресс. В целом, гены-капациторы, вероятно, экспрессируют белки, функционирующие как сетевые узлы в интерактоме клетки и в сети синтетически летальных взаимодействий. Уверенность в том, что конкретный ген является фенотипическим капацитором, коррелирует с количеством наблюдаемых белок-белковых взаимодействий для его экспрессируемого белка. Однако белки с наибольшим количеством взаимодействий демонстрируют сниженную фенотипическую емкость, возможно, из-за повышенного дублирования регионов, кодирующих эти белки в геноме, что уменьшает эффект одиночного нокаута. Гены-капациторы реже имеют паралоги в других частях генома; большинство капациторов, идентифицированных в дрожжах, являются либо уникальными генами, либо имеют исторические паралоги, от которых они значительно отличаются по экспрессии. Уникальные и дуплицированные капациторы в значительной степени демонстрируют различное поведение в интерактоме. Уникальные капациторы чаще всего входят в состав высокосвязанных комплексов (таких как медиаторный комплекс), в то время как дуплицированные капациторы более высоко связаны и склонны взаимодействовать с несколькими крупными комплексами. Генная онтология уникальных и дуплицированных капациторов также заметно различается. Уникальные капациторы сосредоточены в категориях поддержания и организации ДНК, реакции на стимулы, транскрипции и локализации РНК, тогда как дуплицированные капациторы сосредоточены в категориях метаболизма белков и эндоцитоза.

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.

Избыточность

Механизм генов-фенотипических конденсаторов у дрожжей, по-видимому, тесно связан с формами функциональной избыточности на различных уровнях генома. Кодирующие области, необходимые для синтеза ключевых белков, не имеющих паралогов в других частях генома, приводят к летальному исходу при удалении. Напротив, кодирующие области с множеством паралогов или сильно экспрессирующимися паралогами оказывают минимальное влияние на общую экспрессию (особенно на транс-регуляторную экспрессию) при удалении. Как одиночные, так и дуплицированные конденсаторы в основном представляют собой примеры неполной функциональной избыточности: дифференциально экспрессирующиеся паралоги дуплицированных конденсаторов сохраняют некоторую функциональность исходного гена, а белковые комплексы, в которых находятся одиночные конденсаторы, в значительной степени демонстрируют перекрывающуюся функциональность. В целом, фенотипические конденсаторы, идентифицированные с помощью нокаутов у дрожжей, – это гены, экспрессируемые в нескольких ключевых регуляторных областях, которые, хотя и не летальны при удалении, не обладают достаточной избыточностью для поддержания полной функциональности. Концепция функциональной избыточности также может быть связана с большим количеством синтетически летальных взаимодействий, в которых участвуют гены-конденсаторы. Когда функциональность гена восстанавливается паралогом или функциональным аналогом, его удаление само по себе не является летальным, однако, когда ген и его избыточность удаляются одновременно, наступает летальность.

Симуляции

Вычислительное моделирование нокаутов в сложных сетях взаимодействия генов показало, что многие, и возможно, все экспрессируемые гены при удалении способны вызывать фенотипические изменения в той или иной степени, а ранее идентифицированные "гены-конденсаторы" являются лишь особенно яркими примерами этого явления. Следовательно, "емкость" – это просто характеристика сложных генных сетей, возникающая одновременно с канализацией.

Факультативный пол

Рецессивные мутации можно рассматривать как скрытые, когда они преимущественно встречаются у гетерозигот, а не у гомозигот. Факультативное половое размножение в форме самооплодотворения может выступать в роли эволюционного накопителя в преимущественно асексуальной популяции, создавая гомозиготы. Факультативное половое размножение в форме перекрестного опыления может выступать в роли эволюционного накопителя, разрушая комбинации аллелей с фенотипическими эффектами, которые обычно компенсируют друг друга.