6.1: Види селекції: Початок - Генеруючі мутанти

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3374

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мутації і виділення

Еволюція на генетичному рівні починається з мутацій, що породжують генетичні варіанти. Варіанти можуть бути обрані за або проти, якщо вони впливають на фітнес і, таким чином, збільшують або зменшують частоту в популяції. Якщо на варіанті немає вибору, ми говоримо, що він «нейтральний». У цьому випадку вона схильна до генетичного дрейфу і буде збільшуватися або зменшуватися в частоті просто випадково. Більшість мутацій у тварин знаходяться в інтергенних регіонах, але деякі природним чином відбуваються в генах. Зазвичай ми думаємо про ці генні мутації як про ті, які, швидше за все, будуть помічені при відборі. Якщо ми шукаємо тривалі періоди еволюційного часу, ми, швидше за все, не побачимо багатьох мутацій, які знижують придатність, оскільки вони повинні бути відсіяні природним або статевим відбором. Натомість ми очікуємо побачити мутації, які:

нейтральний (не впливає на фітнес)
майже нейтральний (дуже мало впливає на фітнес)
буферизовані (невидимі через епістатичні ефекти) або
позитивний (позитивний вплив на фітнес)

Коли ми порівнюємо послідовності гомологічних генів (генів, які походять з одного і того ж загального гена предків), ми можемо провести аналіз, щоб сказати нам, чи є послідовність під «позитивним» або «очищаючим» відбором. Гени під очищувальною селекцією мали мутації «очищені». У цьому випадку існує одна «найкраща» послідовність, і більшість видів у таксоні матимуть дуже схожі послідовності цього гена. Коли мутації виникають в гені, особини, що несуть мутації, як правило, знижують придатність і не виробляють багато потомства, що несуть ці мутації. Порівнюючи послідовності віддалено споріднених видів, ми бачимо менше відмінностей, ніж ми очікували б побачити випадково (або нейтральний генетичний дрейф).

Гени при позитивному відборі показують протилежне - більше відмінностей в генетичній послідовності в таксоні, ніж ми очікували б побачити випадково. Позитивно відібраний ген мав історію мутацій, які давали людям вищу придатність. Ці мутації були різними в різних родовищах, породжуючи види з різними наборами позитивно відібраних мутацій. Підсумовуючи, якщо більшість мутацій в гені зробить його менш функціональним і призведе до негативного впливу на фітнес, ми можемо очікувати побачити очищаючий відбір на цьому гені (тобто більшість мутацій будуть відсіяні природним відбором, Рисунок 1). Але якщо є специфічні мутації, які краще функціонують в різних екосистемах, ми можемо очікувати позитивного відбору цього гена (тобто різні мутації будуть переважати в різних середовищах).

Рисунок 1: Позитивний проти очищення виділення. Мутація, яка впливає на функцію гена (тобто не нейтрального), може змінювати форму і функцію продукту (тут продукт - білок, але він також може бути РНК) або схему експресії продукту. Якщо ця зміна функції або експресії збільшує організмальну придатність, ми очікуємо, що частота алелю збільшиться з часом (Позитивний відбір). Якщо мутація зменшує організмальну придатність, ми очікуємо, що частота нового алелю зменшиться з часом (очищаючий відбір). Редагований файл svg цього малюнка доступний за адресою https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/29/

Щоб з'ясувати, чи знаходиться ген під позитивним або очищаючим відбором, ми порівнюємо послідовність генів у різних організмах. Якщо один вид або рід має багато функціональних змін в гені порівняно з його родичами, ми говоримо, що ген знаходиться під позитивним відбором. Якщо між віддалено спорідненими видами дуже мало функціональних змін, ми говоримо, що ген знаходиться під очищувальним відбором. Під очищувальним відбором нові варіанти генів (алелі) мають тенденцію до зниження придатності. Це може бути тому, що ген вже знаходиться на піку придатності або тому, що ген впливає на кілька процесів (плейотропія).

«Фонову швидкість» мутації протягом еволюційного часу можна оцінити за накопиченням нейтральних (або майже нейтральних) мутацій. Це мутації, які не повинні змінювати функцію гена. Найпростішим місцем для пошуку є синонімічні зміни послідовності ДНК. Синонімічні зміни - це мутації в ДНК, що кодує білок, які не впливають на білкову послідовність. Вони часто знаходяться в третьому кодоні. Несинонімічні зміни можуть вплинути на функцію, змінюючи послідовність білків Оскільки синонімічні зміни не впливають на функцію білка, ми можемо використовувати їх для оцінки швидкості нейтрального дрейфу.

У наведеному прикладі порівнюються послідовності миші, людини та равлика в області кодування білка. Послідовність ДНК, однакова для всіх видів, показана червоним кольором. Попарні порівняння, підраховуючи кількість мутацій, які призводять до зміни амінокислот (NS для несинонімічних), порівнюються з кількістю мутацій, які не призводять до зміни амінокислоти (S для синонімів). Коли кількість змін S перевищує кількість змін NS, ген, ймовірно, знаходиться під очищувальним відбором. Тобто кількість функціональних змін значно нижче, ніж кількість нейтральних змін. Коли кількість S змін нижче, ніж кількість змін НС, ген, ймовірно, знаходиться під позитивним відбором.

Розташування мутації в гені

У розділі вище ми класифікували мутації за їх впливом на фенотип. Ми також можемо класифікувати мутації за їх положенням всередині гена. Можуть бути мутації в області кодування або мутації в cis-регуляторній області (також можуть бути мутації в «сміттєвій» області, але нам не потрібно розглядати їх тут).

CIS-регуляторні мутації можуть змінювати структуру експресії гена і викликати втрату експресії, знижену експресію, підвищену експресію або ектопічну експресію (експресію в новому місці та/або в новий час). Якщо мутований ген сам є регуляторним геном, це також може мати вплив на експресію його цілей. Загалом, цис-регуляторні мутації можуть змінити «клітинний відбиток пальця», який є сукупністю генів, виражених у певній клітині, яка надає цій клітині свою ідентичність та функцію. Це може змінити спосіб «поводиться» клітина, як з точки зору власної анатомії та фізіології, так і способу взаємодії з клітинами навколо неї, потенційно навіть змінюючи свою долю за допомогою клітинної сигналізації.

Мутації в кодуючих областях можуть змінювати структуру і функції білка або РНК. Ці зміни можуть бути строго структурними тим, що вони впливають на клітинну анатомію, фізіологію та/або клітинну сигналізацію. Наприклад, мутація функціонального білка Міоглобін може змінити, наскільки добре м'язова клітина зберігає кисень. З іншого боку, мутація в рецепторі шляху Wnt Frizzled може змінити, чи реагує клітина на сигналізацію Wnt. Мутація Frizzled не просто структурна, оскільки вона також може впливати на експресію цільових генів, перетворюючи або вимикаючи цілі WNT-шляху в новій схемі.

Генеруючі мутанти

Третім способом класифікації мутацій є вивчення їх фізичного впливу на геном - чи видалила мутаційна подія велику частину генома? Чи перетворював він один нуклеотид в інший? Три основні види мутації, які ми розглянемо, це:

Точкові мутації: перетворення однієї нуклеотидної пари в іншу
Indels: вставки та видалення, які додають або видаляють нуклеотиди з генома. Вони можуть бути викликані транспозонами, ковзанням під час реплікації або ферментами відновлення ДНК.
Дублювання: Це специфічний тип мутації вставки, який вставляє шматок існуючої генетичної послідовності в новий локус, не видаляючи його з вихідного локусу.

З цих трьох дублікації та вставки можуть додати геномної складності. Тут я визначаю складність як кількість унікальних деталей у системі. Геномна складність буде збільшена, якщо ми додамо нову генетичну інформацію. Здається, просто уявити випадок, коли збільшення геномної складності призведе до збільшення організмальної складності. Наприклад, ми додаємо додатковий ген для перетравлення амілози і збільшуємо кількість зерна, яке ми можемо їсти - урізноманітнюючи наш раціон і роблячи його більш складним. Однак ми також можемо збільшити геномну складність без збільшення організмальної складності і навіть збільшити складність організму без збільшення геномної складності.