Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Теоретический предел скорости мутации
Theoretical limit on rate of mutation
В эволюционной биологии и популяционной генетике порог ошибок (или критическая частота мутаций) – это предел числа пар оснований, которое может содержать самовоспроизводящаяся молекула, прежде чем мутации приведут к потере информации в последующих поколениях этой молекулы. Порог ошибок имеет решающее значение для понимания "парадокса Эйгена". Этот порог – ключевое понятие в исследованиях происхождения жизни (абиогенеза), особенно на самых ранних этапах, до появления ДНК. Предполагается, что первыми самовоспроизводящимися молекулами могли быть небольшие РНК-подобные рибозимы. Эти молекулы состоят из цепочек пар оснований, или "цифр", и порядок этих цифр представляет собой код, определяющий взаимодействие молекулы с окружающей средой. Любая репликация подвержена ошибкам мутаций. В процессе репликации каждая цифра имеет определенную вероятность замены на другую, что изменяет способ взаимодействия молекулы с окружающей средой и может повысить или понизить ее приспособленность, то есть способность к размножению в данной среде.
In evolutionary biology and population genetics, the error threshold (or critical mutation rate) is a limit on the number of base pairs a self replicating molecule may have before mutation will destroy the information in subsequent generations of the molecule. The error threshold is crucial to understanding "Eigen's paradox". The error threshold is a concept in the origins of life (abiogenesis), in particular of very early life, before the advent of DNA. It is postulated that the first self replicating molecules might have been small ribozyme like RNA molecules. These molecules consist of strings of base pairs or "digits", and their order is a code that directs how the molecule interacts with its environment. All replication is subject to mutation error. During the replication process, each digit has a certain probability of being replaced by some other digit, which changes the way the molecule interacts with its environment, and may increase or decrease its fitness, or ability to reproduce, in that environment.
Фитнес-ландшафт
Манфред Эйген в своей статье 1971 года (Eigen 1971) отметил, что этот процесс мутаций ограничивает число элементов, которые может содержать молекула. Если молекула превышает этот критический размер, влияние мутаций становится подавляющим, и неконтролируемый процесс мутаций разрушит информацию в последующих поколениях молекул. Порог ошибок также определяется "ландшафтом пригодности" молекул. Ландшафт пригодности характеризуется двумя понятиями: высотой (равной пригодности) и расстоянием (равным числу мутаций). Схожие молекулы находятся "близко" друг к другу, а молекулы, более приспособленные и склонные к размножению, расположены "выше" в ландшафте. Если конкретная последовательность и её ближайшие аналоги обладают высокой пригодностью, они образуют квазивид и способны поддерживать более длинные последовательности, чем приспособленная последовательность с небольшим числом приспособленных аналогов или менее приспособленное окружение последовательностей. Кроме того, Уилке (Wilke 2005) отметил, что концепция порога ошибок неприменима к участкам ландшафта, где существуют летальные мутации, приводящие к нулевой пригодности и препятствующие размножению молекулы.
It was noted by Manfred Eigen in his 1971 paper (Eigen 1971) that this mutation process places a limit on the number of digits a molecule may have. If a molecule exceeds this critical size, the effect of the mutations becomes overwhelming and a runaway mutation process will destroy the information in subsequent generations of the molecule. The error threshold is also controlled by the "fitness landscape" for the molecules. The fitness landscape is characterized by the two concepts of height (=fitness) and distance (=number of mutations). Similar molecules are "close" to each other, and molecules that are fitter than others and more likely to reproduce, are "higher" in the landscape. If a particular sequence and its neighbors have a high fitness, they will form a quasispecies and will be able to support longer sequence lengths than a fit sequence with few fit neighbors, or a less fit neighborhood of sequences. Also, it was noted by Wilke (Wilke 2005) that the error threshold concept does not apply in portions of the landscape where there are lethal mutations, in which the induced mutation yields zero fitness and prohibits the molecule from reproducing.
Парадокс Эйгена
Парадокс Эйгена – одна из самых сложных загадок в изучении происхождения жизни. Считается, что концепция порога ошибок, описанная выше, ограничивает размер самовоспроизводящихся молекул, возможно, несколькими сотнями элементов, однако почти вся жизнь на Земле требует гораздо более длинных молекул для кодирования своей генетической информации. В живых клетках эта проблема решается ферментами, восстанавливающими мутации, что позволяет кодирующим молекулам достигать размеров в миллионы пар оснований. Эти большие молекулы, разумеется, должны кодировать и сами ферменты, которые их восстанавливают, и в этом заключается парадокс Эйгена, впервые сформулированный Манфредом Эйгеном в его статье 1971 года (Eigen 1971). Проще говоря, парадокс Эйгена заключается в следующем:
Eigen's paradox is one of the most intractable puzzles in the study of the origins of life. It is thought that the error threshold concept described above limits the size of self replicating molecules to perhaps a few hundred digits, yet almost all life on earth requires much longer molecules to encode their genetic information. This problem is handled in living cells by enzymes that repair mutations, allowing the encoding molecules to reach sizes on the order of millions of base pairs. These large molecules must, of course, encode the very enzymes that repair them, and herein lies Eigen's paradox, first put forth by Manfred Eigen in his 1971 paper (Eigen 1971). Simply stated, Eigen's paradox amounts to the following:
Без ферментов коррекции ошибок максимальный размер реплицирующейся молекулы составляет около 100 пар оснований. Для того чтобы реплицирующаяся молекула кодировала ферменты коррекции ошибок, она должна быть существенно больше 100 оснований. Это парадокс, похожий на вопрос о курице и яйце, но с ещё более сложным решением. Что появилось раньше: большой геном или ферменты коррекции ошибок? Предложено несколько решений этого парадокса:
Without error correction enzymes, the maximum size of a replicating molecule is about 100 base pairs. For a replicating molecule to encode error correction enzymes, it must be substantially larger than 100 bases. This is a chicken or egg kind of a paradox, with an even more difficult solution. Which came first, the large genome or the error correction enzymes? A number of solutions to this paradox have been proposed:
Стохастическая корректорная модель (Szathmáry & Maynard Smith, 1995). В этом предлагаемом решении несколько примитивных молекул, например, двух разных типов, ассоциированы друг с другом каким-либо образом, возможно, с помощью капсулы или «клеточной стенки». Если их репродуктивный успех повышается, например, при равном количестве в каждой клетке, и размножение происходит путем деления, при котором каждый из различных типов молекул случайным образом распределяется между «потомками», то процесс отбора будет способствовать такому равному представлению в клетках, даже если одна из молекул имеет селективное преимущество перед другой. Сниженный порог ошибок (Kun et al., 2005). Исследования реальных рибозимов показывают, что частота мутаций может быть значительно ниже, чем первоначально предполагалось – порядка 0,001 на пару оснований на репликацию. Это может позволить получить последовательности длиной порядка 7–8 тысяч пар оснований, достаточной для включения примитивных ферментов коррекции ошибок.
Stochastic corrector model (Szathmáry & Maynard Smith, 1995). In this proposed solution, a number of primitive molecules of say, two different types, are associated with each other in some way, perhaps by a capsule or "cell wall". If their reproductive success is enhanced by having, say, equal numbers in each cell, and reproduction occurs by division in which each of various types of molecules are randomly distributed among the "children", the process of selection will promote such equal representation in the cells, even though one of the molecules may have a selective advantage over the other. Relaxed error threshold (Kun et al., 2005) Studies of actual ribozymes indicate that the mutation rate can be substantially less than first expected on the order of 0.001 per base pair per replication. This may allow sequence lengths of the order of 7 8 thousand base pairs, sufficient to incorporate rudimentary error correction enzymes.