Параллельная эволюция изучена в эксперименте на бактериях

Автор: Александр Марков 

Рис. 1.A — распределение мутаций, закрепившихся в подопытных линиях кишечной палочки. Каждая горизонтальная полоска соответствует одной линии. По горизонтальной оси — позиция в геноме (кольцевая хромосома E. coli, длина которой составляет около 4,6 млн пар нуклеотидов, развернута в прямой отрезок). Красным показаны однонуклеотидные замены, оранжевым — короткие вставки и выпадения, желтым — вставки мобильных элементов, сиреневым — крупные делеции, синим — дупликации). На нижнем графике (B) показана частота встречаемости мутаций в разных участках генома. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Эксперимент, в ходе которого 115 линий кишечной палочки независимо друг от друга приспосабливались к высокой температуре, показал, что к одной и той же эволюционной «цели» ведет множество путей. За 2000 поколений в каждой линии закрепилось в среднем по 11 мутаций, из которых около 80% были полезными. Мутации у разных линий были в основном разными: из 634 несинонимичных точечных мутаций лишь 157 обнаружены более чем в одной линии. При этом многие линии приспособились к высокой температуре за счет разных изменений одних и тех же генов: две произвольно выбранные линии имели в среднем лишь 2,6% общих мутаций, но целых 20% общих генов, затронутых мутациями. Эксперимент выявил сложную систему взаимодействий (эпистаз) между потенциально полезными мутациями: одна и та же мутация оказывается полезной или вредной в зависимости от того, какие мутации закрепились в геноме ранее. Поэтому некоторые мутации оказались взаимоисключающими, тогда как для других, наоборот, характерна повышенная частота совместной встречаемости.

Закрепление отбором полезных мутаций играет ключевую роль в эволюции, однако экспериментальное изучение этого процесса только начинается (см. ссылки внизу). В эволюционных экспериментах, проводившихся ранее, либо изучалась судьба небольшого числа генов, либо результаты оценивались по общей приспособленности организмов без выявления конкретных генетических изменений, либо число повторностей (параллельно эволюционирующих линий) было невелико. Например, в знаменитом долгосрочном эксперименте Ричарда Ленски (см.: Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений, «Элементы», 02.11.2009) параллельно эволюционируют 12 линий кишечной палочки — маловато для того, чтобы оценить степень повторяемости эволюционных событий, число возможных путей адаптации к одним и тем же условиям и соотношение закономерного и случайного в эволюции.

Сотрудники факультета экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Ирвайне (Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of California, Irvine) заставили приспосабливаться к высокой температуре сразу 115 линий кишечной палочки E. coli. Все подопытные популяции были выведены из одного клона, то есть изначально имели одинаковый геном. Предки подопытных бактерий в течение 2000 поколений жили в стандартной среде при оптимальной для них температуре 37°C.

В ходе эксперимента микробам пришлось приспосабливаться к температуре 42,2°C. Это максимум, при котором исходная популяция не погибает полностью. 115 подопытных линий жили при такой температуре в течение 2000 поколений, после чего ученые взяли из каждой линии по одному микробу и отсеквенировали его геном.

Все линии неплохо приспособились к перегреву: скорость их размножения при высокой температуре к концу эксперимента была в среднем в 1,94 раза выше, чем у предкового штамма. Лучше всех приспособилась линия, в которой произошла мутация, резко повысившая скорость мутагенеза (вышел из строя ген mutL, отвечающий за исправление ошибок в ДНК; см. DNA mismatch repair). В этой линии закрепилось 73 мутации — гораздо больше, чем у всех остальных линий, поэтому ее пришлось исключить из сравнительного анализа.

В остальных 114 линиях произошло в среднем по 11 генетических изменений, в том числе 6,9 однонуклеотидных замен, 2,3 коротких вставок и делеций (выпадений нуклеотидов), 1,0 крупных делеций, 0,6 вставок мобильных генетических элементов и 0,2 крупных дупликаций (удвоений участков ДНК); см. рис. 1.

О доле полезных мутаций, поддержанных отбором, можно судить по соотношению значимых и незначимых (синонимичных) замен (см.: Ka/Ks ratio). Это соотношение оказалось весьма высоким. Иными словами, у бактерий закрепилось намного больше значимых мутаций, чем следовало бы ожидать, если бы эти мутации не приносили пользы и не поддерживались отбором. Авторы рассчитали, что примерно 80% значимых замен были полезными, то есть повысили скорость размножения бактерий при высокой температуре.

Повторяемость эволюции на уровне конкретных генетических изменений, поддержанных отбором, оказалась весьма низкой. Каждая линия приобрела свой уникальный набор мутаций. Так, из 634 значимых однонуклеотидных замен лишь 157 (25%) обнаружились более чем в одной линии подопытных бактерий. Большинство замен оказались уникальными, то есть закрепились лишь у одной из 114 линий. При этом несколько замен явно пользовались повышенной «популярностью». Например, значимая мутация в кодоне 966 гена rpoB обнаружилась у 18 линий, мутация в кодоне 15 гена rho — у 17 линий. Белки, кодируемые обоими генами, играют ключевую роль в транскрипции.

Повторяемость коротких вставок и делеций, дупликаций и вставок мобильных элементов оказалась выше, чем у точечных мутаций. Наибольшая повторяемость характерна для крупных делеций: 82 из 119 таких делеций (69%) зарегистрированы более чем в одной линии подопытных бактерий. Выпавшие фрагменты ДНК часто были заключены между копиями мобильных элементов (вероятность делеции участка ДНК повышается, если он заключен между двумя одинаковыми последовательностями, поэтому распределение мобильных элементов по геному влияет на его эволюционную судьбу).

Тот факт, что наборы мутаций у 114 линий оказались разными, говорит о множественности путей адаптации к высокой температуре. При этом сходство между линиями по набору генов, затронутых мутациями, оказалось намного выше. Если взять наугад любые две из 114 линий, то одинаковых мутаций у них окажется в среднем лишь 2,6%, а одинаковых генов, в которых закрепились мутации, – 20,2%. Если объединить гены в функциональные блоки (например, рассматривать все гены, отвечающие за транскрипцию, как единый блок), то сходство линий по набору затронутых мутациями блоков окажется еще выше: 31,5%.

Статистический анализ показал, что в эксперименте подверглись изменениям почти все гены и функциональные блоки, изменения которых могут способствовать адаптации к высокой температуре, однако число потенциально полезных мутаций в этих генах, скорее всего, существенно выше того, что было реально зафиксировано в 114 подопытных линиях. Иными словами, если бы авторы повторили эксперимент еще с сотней-другой подопытных линий, они наверняка обнаружили бы много новых полезных мутаций, повышающих жизнеспособность при высокой температуре, но едва ли нашли бы много новых генов, мутации в которых могут оказаться полезными в этих условиях.

Таким образом, повторяемость (воспроизводимость) путей адаптации бактерий к перегреву оказалась крайне низкой на уровне конкретных мутаций, но довольно высокой на уровне генов и функциональных блоков. Невозможно предсказать, какие именно мутации обеспечат адаптацию в каждом конкретном случае, однако набор генов, которые будут затронуты этими мутациями, до некоторой степени предсказуем.

Одним из важнейших результатов исследования является демонстрация эволюционной роли эпистаза (влияния мутаций друг на друга), что подтверждает теоретические предсказания (см.: Расширение белковой вселенной продолжается, «Элементы», 24.05.2010). Если бы эпистаза не было, накопление полезных мутаций напоминало бы коллекционирование марок по принципу «чем больше, тем лучше», когда ценность каждой новой марки не зависит от того, какие марки уже есть в коллекции, так что порядок их приобретения не важен. Если же эпистаз играет заметную роль, то полезность каждой новой мутации будет зависеть от того, какие мутации закрепились в геноме ранее. В этом случае накопление полезных мутаций сможет идти лишь по ограниченному числу «разрешенных» траекторий, что должно повышать предсказуемость эволюционных изменений.

В эксперименте эпистаз проявился в том, что некоторые генетические изменения оказались взаимоисключающими, тогда как для других, наоборот, была выявлена повышенная частота совместной встречаемости. Во многих случаях оказались взаимоисключающими разные мутации одного и того же гена или функционального блока. Для таких генов было зафиксировано по несколько потенциально полезных мутаций в разных линиях, но в каждой отдельной линии присутствовала только одна из них. Значит, если ген был улучшен одной из нескольких возможных мутаций, вторая мутация становилась после этого ненужной или вредной, хотя в другой линии, в которой не было первой мутации, вторая могла улучшить этот ген — но тогда уже первая мутация не принесла бы пользы. Такой эффект легко объяснить, когда речь идет о мутациях, выводящих ген из строя. Если ген инактивирован одной мутацией, дополнительные мутации в этом гене уже ни на что не повлияют. Однако во многих случаях эффект взаимного исключения был обнаружен у мутаций, которые не делают ген нефункциональным, а лишь модифицируют его работу.

Кроме того, оказалось, что изменения некоторых генов заметно повышают или, наоборот, снижают вероятность закрепления мутаций в других генах. Наиболее четко этот эффект проявился у вышеупомянутых генов rpoB и rho (первый из них кодирует один из компонентов РНК-полимеразы, второй играет ключевую роль в терминации транскрипции). Оказалось, что в линиях, где закрепилась полезная мутация в комплексе rpoABC, куда входит rpoB, с большой вероятностью присутствуют также и мутации еще в пяти генных комплексах (см. рис. 2) и почти наверняка нет мутаций в гене rho и двух других комплексах (на рисунке они обозначены как ICLR и CLS). Если же в данной линии мутировал ген rho, то, скорее всего, мутации закрепятся также и в комплексах ICLR и CLS, но при этом не будет мутаций ни в rpoABC, ни в пяти связанных с ним комплексах. Получается, что у бактерий было два альтернативных, взаимоисключающих пути адаптации к высокой температуре, причем выбор зависел от того, в каком из генных комплексов полезная мутация произойдет раньше. Помимо этих двух путей было и множество других, но между ними не выявлено столь четких эпистатических взаимодействий.

Рис. 2. Зависимость вероятности закрепления мутаций в различных генных комплексах от того, закрепились ли мутации в других комплексах. Красным цветом показаны положительные ассоциации (мутация в одном гене повышает вероятность того, что и в другом гене закрепится мутация), синим — отрицательные. Выше и ниже диагонали показаны результаты, основанные на двух разных статистических методах. Желтыми линиями показаны две совокупности генов, склонных к согласованным изменениям, что соответствует двум альтернативным путям адаптации к высокой температуре. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, исследование показало, что одна и та же эволюционная «цель» — в данном случае приспособление к высокой температуре — может быть достигнута множеством разных способов. На самом низком уровне, то есть на уровне конкретных мутаций, эволюционный процесс оказался малопредсказуемым. Однако на более высоком уровне генов и генных комплексов предсказуемость и повторяемость эволюции оказались выше. Выявленный в эксперименте эпистаз можно рассматривать как дополнительный фактор, способствующий снижению элемента случайности и росту предсказуемости эволюционного процесса.

Источник: Olivier Tenaillon, Alejandra Rodríguez-Verdugo, Rebecca L. Gaut, Pamela McDonald, Albert F. Bennett, Anthony D. Long, Brandon S. Gaut. The Molecular Diversity of Adaptive Convergence // Science. 2012. V. 335. P. 457–461.

См. также об отборе полезных мутаций в эволюционных экспериментах:
1) Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений, «Элементы», 02.11.2009.
2) В долгосрочном эволюционном эксперименте выявлен отбор на «эволюционную перспективность», «Элементы», 25.03.2011.
3) Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009.

О молекулярных основах параллельной эволюции:
1) Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006.
2) «Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, «Элементы», 25.04.2006.
3) Параллелизмы — результат быстрой эволюции сенсорных рецепторов, «Элементы», 20.09.2011.