- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Эволюция вприпрыжку

Один из кра­е­уголь­ных кам­ней совре­мен­ной тео­рии эво­лю­ции – идея о ее гра­ду­аль­но­сти. В соот­вет­ствии с ней, отбор после­до­ва­тель­но закреп­ля­ет мута­ции, каж­дая из кото­рых сла­бо вли­я­ет на фено­тип. Шаг за шагом этот про­цесс при­во­дит к появ­ле­нию слож­ных адап­та­ций и раз­но­об­ра­зию видов. Тео­рия гово­рит, что для того, что­бы такая поша­го­вая эво­лю­ция име­ла место, необ­хо­ди­ма адап­тив­ность каж­дой мута­ции или хотя бы ее ней­траль­ность. Одна­ко, тео­рия Мото Киму­ры, раз­ра­бо­тан­ная в 1985 г., пред­ла­га­ет допол­ни­тель­ный аль­тер­на­тив­ный сце­на­рий.

Киму­ра рас­смот­рел слу­чай, когда при­спо­соб­лен­ность орга­низ­ма зави­сит от нели­ней­но­го вза­и­мо­дей­ствия раз­ных генов. При вза­и­мо­дей­ствии раз­ных вари­ан­тов (алле­лей) двух генов может воз­ник­нуть ситу­а­ция когда невоз­мож­но эво­лю­ци­о­ни­ро­вать поша­го­во из одно­го состо­я­ния в дру­гое. Допу­стим, что в одном гене воз­мож­ны два вари­ан­та (A и a) а в дру­гом гене вари­ант (B и b). Если при­спо­соб­лен­ность инди­ви­ду­у­мов с гено­ти­пом AB и ab высо­кая, а состо­я­ние гено­ти­пов Ab и aB при­во­дят к низ­кой при­спо­соб­лен­но­сти. Тогда, полу­ча­ет­ся, что для эво­лю­ции от вари­ан­та АB к аb необ­хо­ди­мо сов­па­де­ние мута­ций сра­зу по обе­им копи­ям гена, так как если мута­ция будет одна, то адап­тив­ность сни­зит­ся. Одна­ко, Киму­ра заме­тил, что если рас­смат­ри­вать не отдель­ную особь, а попу­ля­цию в целом, то веро­ят­ность прыж­ка через доли­ну с низ­кой при­спо­соб­лен­но­стью уве­ли­чи­ва­ет­ся. При­чи­на в том, что ситу­а­ция, когда попу­ля­ция состо­ит толь­ко из осо­бей с гено­ти­пом АB мало­ве­ро­ят­на, обыч­но в ней при­сут­ству­ет неко­то­рое чис­ло мутан­тов Аb и аB. А в этом слу­чае пере­ход от АB к аb может про­изой­ти без фик­са­ции про­ме­жу­точ­но­го фено­ти­па с худ­шей при­спо­соб­лен­но­стью.

Рис. 1. Пере­клю­че­ние меж­ду Уот­сон-Кри­ков­ски­ми пара­ми AU и GC может про­ис­хо­дить на плос­ком (а) или вос­хо­дя­щем (b) ланд­шаф­те с непре­рыв­ны­ми хреб­та­ми при­спо­соб­лен­но­сти или через доли­ну, обра­зу­е­мую про­ме­жу­точ­ны­ми вари­ан­та­ми с оди­на­ко­во (c) или по-раз­но­му (d) пони­жен­ной при­спо­соб­лен­но­стью (рису­нок из обсуж­да­е­мой ста­тьи в Nature).

В рабо­те [1] иссле­до­ва­те­лей из Цен­тра геном­ной регу­ля­ции в Бар­се­лоне, Испа­ния и Уни­вер­си­те­та Мичи­га­на, США изу­ча­лась эво­лю­ция мито­хон­дри­аль­ной транс­порт­ной РНК. Они рас­смот­ре­ли пере­клю­че­ния меж­ду Уот­сон-Кри­ков­ски­ми пара­ми AU и GC (см. рис. 1) и пока­за­ли, что про­ме­жу­точ­ные вари­ан­ты GU и AC свя­за­ны с умень­ше­ни­ем при­спо­соб­лен­но­сти. Полу­чен­ные для меж­ви­до­вой и внут­ри­ви­до­вой вари­а­ции резуль­та­ты нахо­дят­ся в соот­вет­ствии с гипо­те­зой Киму­ры о ком­пен­са­тор­ной эво­лю­ции. Подоб­ные ком­пен­са­тор­ные пере­клю­че­ния, из AU в GC, или наобо­рот, состав­ля­ют основ­ную долю от всех замен во вто­рич­ный струк­ту­рах мт-тРНК, что пока­зы­ва­ет, что эти моле­ку­лы эво­лю­ци­о­ни­ру­ет не шаг за шагом, как пред­ска­зы­ва­ет клас­си­че­ская тео­рия, а почти одно­вре­мен­ной фик­са­ци­ей двух отдель­ных мута­ций. Иссле­до­ва­те­ли гово­рят, что «Несмот­ря на нагляд­ность поша­го­вой моде­ли адап­тив­ной эво­лю­ции, кажет­ся, что для мт-тРНК боль­шин­ство замен зави­сят от попу­ля­ци­он­ной дина­ми­ки, поз­во­ля­ю­щей пере­пры­ги­вать к луч­шей при­спо­соб­лен­но­сти».

Федор Кон­дра­шев

«Наша рабо­та пока­зы­ва­ет, что невоз­мож­но опи­сать эво­лю­ци­он­ный про­цесс цело­го клас­са моле­кул (мито­хон­дри­аль­ных тРНК) без пони­ма­ния, как раз­лич­ные поли­мор­физ­мы вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом в одной попу­ля­ции», – гово­рит Фёдор Кон­дра­шов, основ­ной автор ста­тьи и руко­во­ди­тель груп­пы Эво­лю­ци­он­ной гено­ми­ки в Цен­тре геном­ной регу­ля­ции. «Наши резуль­та­ты пока­зы­ва­ют, что неко­то­рые мута­ции, умень­ша­ю­щие при­спо­соб­лен­ность, не обя­за­тель­но явля­ют­ся эво­лю­ци­он­ны­ми тупи­ка­ми. Наобо­рот, две по отдель­но­сти вред­ные мута­ции, кото­рые в ком­би­на­ции дают полез­ный эффект, откры­ва­ют новые пути для даль­ней­ше­го дви­же­ния эво­лю­ции», объ­яс­ня­ет Кон­дра­шов.

Федор Кон­дра­шов отве­тил на вопро­сы ТрВ.

- Как воз­ник­ла идея про­ве­сти это иссле­до­ва­ние?

- Из нашей преды­ду­щей рабо­ты [2] сле­до­ва­ло, что ком­пен­са­тор­ная эво­лю­ция, то есть пере­хо­ды из одно­го Ват­сон-Кри­ков­ско­го состо­я­ния в дру­гое про­ис­хо­дят очень часто. Но мы тогда не смог­ли разо­брать­ся, как имен­но такие пере­хо­ды про­ис­хо­дят.

- Насколь­ко часто в эво­лю­ции может встре­чать­ся подоб­ный тип пере­хо­дов?

- Кон­крет­но для вто­рич­ных струк­тур мт-тРНК до 60% от всех замен, то есть очень зна­чи­тель­ный кусок. Насколь­ко этот эво­лю­ци­он­ный меха­низм рас­про­стра­нён в дру­гих моле­ку­лах абсо­лют­но непо­нят­но. Основ­ная новиз­на нашей рабо­ты заклю­ча­ет­ся в том, что нам впер­вые уда­лось пока­зать, что хоть в каких-то слу­ча­ях такой не поша­го­вый меха­низм явля­ет­ся важ­ным.

- Мож­но ли обоб­щить резуль­тат на ком­би­на­ции алле­лей раз­ных эпи­ста­ти­че­ски вза­и­мо­дей­ству­ю­щих генов?

- Пока что нет, и, навер­ное, это явля­ет­ся самым инте­рес­ным вопро­сом на сле­ду­ю­щие 10–20 лет. Пока совер­шен­но непо­нят­но насколь­ко эпи­ста­ти­че­ские вза­и­мо­дей­ствия, воз­ни­ка­ю­щие меж­ду раз­ны­ми алле­ля­ми в одной попу­ля­ции, важ­ны на мак­ро­э­во­лю­ци­он­ном уровне. Един­ствен­ное исклю­че­ние – мт-тРНК.

- Мож­но ли как-то это про­ве­рить?

- Актив­но дума­ем на эту тему. С мт-тРНК мы смог­ли про­ве­рить из-за мута­ци­он­но­го нерав­но­ве­сия двух нитей ДНК в мито­хон­дрии. Как это про­ве­рить в бел­ках или в ядер­ном гено­ме пока не понят­но.

- Пла­ни­ру­ет­ся ли раз­ви­вать эту рабо­ту? Если да, то как, если нет, то что на оче­ре­ди?

- Было бы забав­но посмот­реть, насколь­ко важен такой про­цесс в эво­лю­ции бел­ков. К сожа­ле­нию, в бел­ках гораз­до слож­нее рас­смот­реть вза­и­мо­дей­ствия все­го двух сай­тов (локу­сов) так как ами­но­кис­лот­ные остат­ки часто вза­и­мо­дей­ству­ют не попар­но. Так же акту­аль­но даль­ней­шее раз­ви­тие тео­рии Киму­ры – было бы забав­но посмот­реть насколь­ко эпи­ста­ти­че­ские вза­и­мо­дей­ствия меж­ду мно­ги­ми гена­ми может повли­ять на эво­лю­цию через доли­ны при­спо­соб­лен­но­сти.

Миха­ил Бур­цев

[1] Margarita V. Meer, Alexey S. Kondrashov, Yael Artzy-Randrup & Fyodor Kondrashov (2010) “Compensatory evolution in mitochondrial tRNAs navigates valleys of low fitness”. Nature. DOI: 10.1038/nature08691.

[2] Kern AD, Kondrashov FA. Mechanisms and convergence of compensatory evolution in mammalian mitochondrial tRNAs. Nat Genet. 2004 Nov;36(11):1207–12.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи