Epistazė, neutralių erdvių fragmentacija bei evoliucijos proceso aplinkybiškumas
89 views
Skip to first unread message
Andrej Spiridonov
Mar 30, 2012, 9:14:17 AM3/30/12
to G-mokslai
Epistazė - tai yra koncepcija, kuri nusako sąveiką tarp atskirų genų fenotipų formavimesi. Genai gali veikti beveik nepriklausomai vieni nuo kitų, taip pat gali slopinti arba skatinti kitų genų efektus. Taigi, epistazė apibūdina esamų genų aplinką genotipe. Neseniai išėjo straipsnis, kurios prepritntas patalipintas arxiv.org archyve, skirtas epistazės reikšmės evoliucinės dinamikos įvertinimui (Schaper et al., 2012). Autoriai rašo, kad epistazė yra taisyklė gyvajame pasaulyje o jos nebuvimas yra išimtis. Jie pateikia kaip pavyzdį, leuB geną, kuris yra randamas pas E. coli ir P. aeruginosa. Šiose dviejose rūšyse genai tarpusavyje skiriasi 168 pozicijose, iš jų mutavus E. coli genus ir nagrinėjant juos in vivo, 63 turėjo neigiamų efektų. O tai reiškia, kad jų neigiamus efektus nuslopina arba padaro teigiamais P. aeruginosa kitų genų aplinka - taigi šiuo atveju mes matome masyvios epistazės pavyzdį, kai genų aplinka padaro daugumą mutacijų neutraliomis.
Autoriai iškėlė hipotezę, kad epistazė padidindama evoliucijos neutralumo laipsnį (mažesnę priklausomybę nuo konkrečių genotipinių būsenų), skatina populiacijų evoliucingumą, nes tokiu būdu išsaugomas didelis kiekis nematomo kintamumo, kuris gali būti panaudotas pasikeitus aplinkoms. Autoriai savo epistazės poveikio evoliucinei dinamikai tyrime, nagrinėjo ne visą epistazės reiškinių įvairovę, bet tiktai neutralią abipusiai veikiančią epistazę. Kaip pavyzdį, galima pateikti dviejų alelių sistemą - priimama, kad sistemoje veikia abipusė neutrali epistazė jei AB ir ab genotipai yra fenotipiškai ekvivalentiški ir gyvybingi, tuo tarpu Ab ir aB yra letalūs. Kaip rašo autoriai, viena tokios neuralios abipusės epistazės pasekmė adaptaciniams landšaftams yra neutralių genotipų tinklų fragmentacija, nes jie nesusisiekia vieni su kitais betarpiškai (per vieną mutaciją). Kaip rašo autoriai, abipusės neutralios epistazės reiškinys yra labai paplitęs ir dažniausiai atsiranda tokiose situacijose, kai egzistuoja "rakto - užrakto" sistema.
Paprastumo vardan autoriai savo tyrime nagrinėjo RNR antrinių struktūrų formavimąsi - jų susietumą genotipinėje bei fenotipinėje erdvėje, tokiu būdu nagrinėjant koks yra jų neutralių tinklų pobūdis. Taip pat suradę, kokio dydžio ir kaip genotipų erdvėje yra pasiskirsčiusios neutralios tinklų komponentės, kurios sudaro neutralius tinklus, autoriai ištyrė, kokiu būdu priklauso populiacijų tolimesnės evoliucijos galimybės nuo to kurioje neutralioje komponentėje jos yra esamu laiko momentu.
Kaip parodė ankstesni tyrimai, struktūrų kiekis yra mažesnis nei sekų kiekis, kurios jas generuoja. Taip pat yra nustatyta, kad neutralių tinklų dydžių pasiskirstymas yra stipriai asimetriškas - didžiąją dalį sekų erdvės atitinka mažoji dalis įmanomų struktūrų. Taip pat didėjant genotipų erdvei (didesnis nukleotidų sudarančių RNR molekulę skaičius) trivialių struktūrų, kurios neturi jungčių, kiekis mažėja. Dėka RNR ryšių biofizinių savybių, taškinių mutacijų dėka, gali įvykti dviejų tipų perėjimai GC<->GU<->AU bei CG<->UG<->UA. Tačiau, šios sekų poerdvės tarpusavyje nesijungia per vieną taškinę mutaciją, nes tokios mutacijos sukeltu ryšių tarp nukleotidų nutraukimą. Todėl, autoriai mini, ši sistema pasižymi dideliu abipusės nukleotidų epistazės lygiu, kur beveik visi neutralūs tinklai (genotipų erdvės dalys produkuojančios tą patį fenotipą - struktūrą) yra fragmentuoti. Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad kiekvienas neutralus tinklas turi apie 2^n neutralių komponenčių (r=0,74), kur n yra ryšių skaičius tarp nukleotidų RNR.
Autoriai išsamiai išanalizavę 15 nukleotidų ilgio RNR struktūrų erdvę, nustatė neutralių tinklų ir juos sudarančių neutralių komponenčių dydžių santykius - Neuralus _tinklai _ir_ju _sudedamosios _komponentes.jpg. Šie 26 didžiausi tinklai kurie atitinka 26 dažniausias RNR struktūras, esant 15 nukleotidų ilgiui, užima apie 50 % visos visos lankstimosi erdvės. Taip pat kiekviename tinkle yra parodyta, kokią dalį užima atskiros komponentės (betarpiškai apjungtos neutralių tinklų dalys). Matoma, kad stipri asimetrija matoma, kaip struktūrų dažnume taip ir neutralių komponenčių dažniuose, kai kiekvieną tinklą pagrindę sudaro kelios milžiniškos komponentės, o absoliuti dauguma kitu yra neskaitlingos genotipiniais atitikmenimis. Šis tyrimas parodo, kad dauguma neutralių tinklų yra fragmentuoti į daugybę neutralių izoliuotų komponenčių. Autoriai klausia - ar visos neutralios komponentės sudarančios neutralius tinklus, kurių dydžiai gali stipriai skirtis, yra ekvivalentiškos evoliucijos eigos atžvilgiu?
Norėdami atsakyti šį klausimą autoriai išnagrinėjo, kokiu būdu neutralių erdvių struktūra įtakoja du evoliucinės dinamikos aspektus - tai evoliucinį tvirtumą, kuris apibūdinamas kaip fenotipo išlaikymas įvykus taškinei mutacijai ir evoliucingumą, kuris nusako galimybę populiacijai pereiti iš vienos fenotipinės būsenos į kitą. Skaitmeniniai tyrimai parodė, kad didėjant neutralių komponenčių dydžiui, neutraliuose tinkluose didėja kaip jų tvirtumas taip ir evoliucingumas - Neutralios _komponentes _Tvirtumas _ir_Evoliucingumas.jpg. Jeigu populiacija egzistuoja didelėje neutralioje komponentėje, automatiškai atsitiktinė taškinė mutacija su didesne tikimybe individo palikuonį perkels į šalimais esančią fenotipiškai ekvivalentišką genotipinės erdvės dalį, tokiu būdu neįtakodama jo palikuonio prisitaikymo. Tačiau, kodėl tuomet populiacijos kurios yra didesnėse neutraliose komponentėse taip pat yra evoliucingesnės? Juk atrodytu, kad fenotipinio kintamumo užbuferinimas, dėka didesnio evoliucinio tvirtumo, turėtu stabdyti naujų fenotipų formavimąsi? Tačiau, dėka to, kad populiacija egzistuoja didelėje neutralioje komponentėje bei turi tuos pačius fenotipus bei prisitaikymą, skirtingi jos nariai gali būti stipriai išsibarstę genotipinėje erdvėje, kas automatiškai palengvina perėjimą į kitus tinklus, jei pasikeistu esamos sąlygos, nes padidėja potencialiai prieinamos erdvės pasiekiamos per mažą mutacijų skaičių hipertūris. Pagal tai galima tvirtinti, kad populiacijos evoliucinis tvirtumas ir evoliucingumas priklauso ne nuo esamos fenotipinės būsenos neutralaus tinklo dydžio, kaip tokio, bet nuo to kokio dydžio neutralioje komponentėje kuri priklauso neutraliam tinklui yra esama populiacija.
Šis atradimas, kaip rašo autoriai, nurodo dar vieną istorinio aplinkybiškumo reikšmę evoliucijai. Jeigu, tarkime vienos rūšies organizmų populiacijoje egzistuoja kažkurio požymio genetinis polimorfizmas, kuris nėra išreikštas fenotipiškai ir tokiu būdu yra neutralus, tačiau skirtingi vieno požymio genų variantai lokalizuoti skirtingose neutraliose tinklo komponentėse, tuomet pasikeistus sąlygoms, skirtingose komponentėse esančios populiacijos gali nuevoliucionuoti visiškai skirtingomis kryptimis ir būdais, nes jos pasiektu skirtingus naujus neutralius tinklus. Taigi, abipusiai veikianti neutrali epistazė nulemia trys evoliucinės dinamikos savybes. Dėka jos fragmentuojami neutralūs tinklai, susidarant daugybei neutralių komponenčių. Šios komponentės savo ruožtu varijuoja tarpusavyje tolimesnės evoliucijos potenciale, kur jų dydis nulemia evoliucingumą ir evoliucinį tvirtumą o jų forma daugiamatėje erdvėje taip pat nulemia konkrečias tolimesnės evoliucijos kryptis.
Nuorodos susijusiomis temomis į G-mokslus:
Schaper Steffen, Iain G. Johnston, and Ard A. Louis. 2012. Epistasis can lead to fragmented neutral spaces and contingency in evolution. Proc. R. Soc. B, Vol. 279 No. 1734, pp. 1777-1783 - Straipsnis "Proc. R. Soc. B" žurnale apie epistazės vaidmenį neutralių būsenų erdvių fragmentacijai evoliucinėje dinamikoje.
AS
Reply all
Reply to author
Forward
0 new messages