Mutacje destabilizujące torują drogę innowacjom ewolucyjnym • Alexander Markov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Genetyka, biologia molekularna, ewolucja

Mutacje destabilizujące torują drogę innowacjom ewolucyjnym.

Ryc. 1. Schemat struktury i ogólny obraz faga lambda. Podpisano nazwy białek (C, D, E, W, B ', FII, U, V, tfa, STF, M, L, J, H); w nawiasach podana jest liczba cząsteczek danego białka w cząstce wirusa. Do wiązania z receptorem – białkiem powierzchniowym ofiary (bakterie Escherichia coli) – odpowiada białku J, zlokalizowanemu na końcu nóg wirusa. Obraz S. V. Rajagopala i wsp., 2011. Mapa interakcji białek bakteriofaga lambda

Amerykańscy biolodzy rozszyfrowali mechanizm ewolucyjny, który pozwala bakteriofagom lambda w eksperymentach laboratoryjnych na opracowanie nowego sposobu infekowania komórek bakteryjnych. Ewolucyjna innowacja powstaje w odpowiedzi na nabycie przez bakterię oporności na dawną metodę ataku wirusowego opartą na przyłączeniu białka wirusowego J do bakteryjnego białka powierzchniowego LamB. W tej sytuacji selekcja najpierw naprawia mutacje w genie. Jwzmocnienie starej funkcji. "Opłata" za lepsze wiązanie z LamB to destabilizacja białka J. W rezultacie uzyskuje się wirusy, w których z tym samym genomem białko J może mieć dwie różne konfiguracje przestrzenne. W tym samym czasie, cząsteczki wirusowe z "prawidłowo" złożonymi J infekują ofiary w dawny sposób, podczas gdy inne (z tym samym genomem, ale z "nieprawidłowo" złożonymi J) robią to w nowy sposób, przyłączając się do innego bakteryjnego białka powierzchniowego (OmpF).W przyszłości oba warianty mogą zostać ustabilizowane poprzez ustalenie dodatkowych mutacji, co w rzeczywistości prowadzi do oddzielenia pierwotnego wirusa na dwa rodzaje. Dzieło to potwierdza stary, ale mający niewiele dowodów eksperymentalnych, pomysł, że nowe funkcje mogą rozwijać się poprzez pośredni etap destabilizacji fenotypu z późniejszą stabilizacją ("asymilacja genetyczna") udanych niedziedzicznych odchyleń.

Teoretycy od dawna dyskutowali o możliwej roli destabilizacji fenotypu w powstawaniu ewolucyjnych innowacji. Zakłada się, że innowacje mogą występować w następujący sposób: "wyjściowy stabilny fenotyp → efekty destabilizujące (na przykład drastyczna zmiana w środowisku) → wzrost zmienności niegenetycznej → asymilacja genetyczna udanego fenotypu, czyli utrwalenie mutacji, które stabilizują ten wariant fenotypu, który okazał się adaptacyjny w nowych warunkachModel ten został szczegółowo opisany w wiadomościach Destabilization of development – droga do ewolucyjnych innowacji (Elements, 13 lipca 2009 r.) Pomysł wygląda logicznie, ale wciąż ma niewiele bezpośrednich dowodów eksperymentalnych (patrz linki na końcu wiadomości).

Amerykańscy biolodzy pracujący z bakteriofagiem lambda (zobFag lambda), uzupełnił zbiór potwierdzonych przykładów skuteczności tego mechanizmu na innej eksponacie.

Przebadano ewolucyjną nowość, systematycznie występującą w fagach λ w określonych warunkach. Zazwyczaj ten fag zaraża swoje ofiary, Escherichia coli Escherichia colipoprzez przyłączenie do białka powierzchniowego (receptora) LamB. Jednak ofiary mogą rozwinąć oporność na wirusa poprzez gromadzenie mutacji, które obniżają poziom ekspresji tego receptora. Liczba cząsteczek LamB na powierzchni komórek bakteryjnych jest zmniejszona, a wirus nie ma nic do uchwycenia.

W obecności opornych bakterii wirusy poddawane są intensywnej selekcji pod kątem zdolności do jak najskuteczniejszego przylgnięcia do kilku pozostałych cząsteczek LamB, które pozostają. Selekcja sekwencyjnie ustanawia 4-7 mutacji w genie kodującym białko wirusa J. Białko to znajduje się na końcu pnia wirusa i jest odpowiedzialne za przyłączenie do LamB (ryc. 1).

Niespodziewanie, te mutacje nie tylko zwiększają siłę wiązania z LamB, ale także dają białku J nową zdolność przyłączania się do innego bakteryjnego białka powierzchniowego, OmpF. W rzeczywistości wirus wytwarza nowy sposób infekowania komórek bakteryjnych.Takie wirusy skutecznie zakażają bakterie, które nie mają nawet LamB (J.R. Meyer i wsp., 2012. Powtarzalność i kluczowe innowacje w Phage Lambda).

Niedawno wykazano, że powstałe wirusy ogólne (zdolne do zarażenia swoich ofiar na dwa sposoby) mogą następnie specjalizować się ponownie, to znaczy tracić jedną z dwóch metod infekcji, optymalizując drugą. Może to prowadzić do specjacji (podział na dwa typy). Chociaż fagi λ nie mają rozmnażania płciowego, mają rekombinację – wymianę regionów genomu między wirusami, które zainfekowały tę samą komórkę. Jeśli chodzi o ewolucyjne implikacje, jest to prawie to samo co rozmnażanie płciowe. Okazało się, że adaptacja do gospodarzy, którzy mają tylko jeden z dwóch receptorów (LamB lub OmpF), prowadzi do podziału wirusów wirusów ogólnych na dwie wyspecjalizowane grupy, z których każda jest w stanie zainfekować tylko jeden typ ofiar. Takie wirusy nie mogą już zmieniać genów ze sobą, ponieważ niekompatybilne mutacje są utrwalone w ich genomach (J. R. Meyer i wsp., 2016. Ekologiczna specjacja bakteriofaga lambda w allopatrii i sympatrii). Dlatego można je uznać za różne typy.

W trakcie nowego badania, którego wyniki są publikowane w czasopiśmie Nauka, Amerykańscy wirusolodzy zorientowali się, w jaki sposób białko J z wirusów ogólnych może łączyć dwie funkcje.W organizmach komórkowych takie zmiany ewolucyjne zachodzą zwykle z powodu duplikacji genów, a następnie podziału funkcji między kopiami. Ale generaliści fagowi mają gen J nie powielone.

Alternatywny mechanizm wiąże się z destabilizacją białka. Autorzy sugerują, że mutacje zakorzenione w genie J w ogólnych fagach wprowadzili element chaosu w procesie fałdowania kodowanego białka (zobacz zwijanie białka). Jest możliwe, że białko J w fagodzie ogólnym może przyjąć dwie różne konformacje, z których jedna wiąże się z LamB, a druga z OmpF.

Destabilizacji struktury przestrzennej białka często towarzyszy spadek jego odporności na wzrost temperatury. Dlatego naukowcy zaczęli testować swoją hipotezę, oceniając wytrzymałość wirusów na przegrzanie. Aby to zrobić, utrzymywali cząsteczki wirusa z różnymi genotypami przez różne godziny w różnych temperaturach (od 37 ° C – optymalna temperatura dla faga λ do fatalnego 55 ° C) i obserwowali, jaki odsetek wirusów pozostanie żywotny. W eksperymencie wykorzystano genotypy odpowiadające różnym stadiom badanej wcześniej ścieżki ewolucyjnej od pierwotnego wirusa (wiążącego tylko do LamB) do wirusa-generalizmu.Badane wirusy różniły się jedynie mutacjami w genie Ja reszta genomu była taka sama.

Wyniki potwierdziły oczekiwania badaczy (ryc. 2). Okazało się, że mutacje w genie Jktóre, podczas adaptacji wirusów do ofiar o zmniejszonej ekspresji LamB, zwiększyło powinowactwo J do LamB, a następnie umożliwiło wiązanie także z OmpF, jednocześnie zmniejszając stabilność termiczną białka J.

Ryc. 2 Odporność cieplna cząstek wirusowych o różnych genotypach. Oś pionowa – odsetek cząstek wirusa, które zachowały zdolność do przeżycia po godzinie starzenia w temperaturze podanej w oś pozioma. Czarna linia ciągła – "typ dziki" (mutacje 0), to jest wirus z oryginalną wersją białka J, który przyłącza się tylko do receptora LamB. Czarna przerywana linia – 3 mutacje w białku J, zwiększające powinowactwo do LamB, ale jeszcze nie dające możliwości wiązania się z OmpF. Zielone linie – genotypy z 4-7 mutacjami w J, zdolne do wiązania się z obydwoma receptorami (wirusami ogólnymi). Rysunek z omawianego artykułu w Nauka

Jednak to samo w sobie wciąż nie mówi nic, ponieważ mutacje, które zmieniają sekwencję aminokwasów białek często zmniejszają oporność białek na przegrzanie – jest to powszechne.Ale w tym przypadku wszystko było ciekawsze. Autorzy przetestowali wrażliwość termiczną wyżej wymienionych wirusów – potomków generałów, którzy w toku dalszej ewolucji stali się specjalistami, którzy utracili zdolność przyłączania się do jednego z dwóch receptorów. Wirusy te są "dodatkowymi specjalistami" w genie J jeszcze więcej mutacji w porównaniu do wersji oryginalnej niż generalistów. Jednak ich odporność na ciepło była tak wysoka, jak w przypadku "dzikich" wirusów. Tak więc mutacje "uogólniające" zmniejszyły stabilność termiczną, a "specjalizacja" zwiększyła ją ponownie.

Najciekawszy wynik uzyskano, gdy autorzy przeanalizowali czasowynaDynamika destrukcji cząstek wirusa w optymalnej temperaturze 37 ° C W eksperymencie wykorzystano szczepy o maksymalnej i minimalnej odporności na ciepło, tj. Wirusy typu dzikiego i generaliści z siedmioma mutacjami (czarne i zielone linie ciągłe na Fig. 2 odpowiadają tym dwóm genotypom). Okazało się, że generaliści ostatecznie rozpadają się szybciej niż "dzikie" wirusy. Jest to oczekiwany wynik, ponieważ mniej odpornych na wysoką temperaturę wirusów, powinniśmy spodziewać się mniejszej stabilności w optymalnej temperaturze.Co ciekawe, badacze odkryli, że w ciągu pierwszych dwóch dni zniszczenie wirusów typu dzikiego przebiega ze stałą szybkością, podczas gdy generaliści degradują się znacznie szybciej w pierwszym dniu niż w drugim (ryc. 3).

Ryc. 3 Dynamika destrukcji cząstek wirusa w 37 ° C Czarne linie – wirusy o oryginalnym genotypie, zielony – generaliści z siedmioma mutacjami w genie J. Widać, że te pierwsze są niszczone w stałym tempie, a te drugie niszczone są szybciej pierwszego dnia niż drugiego. Wskazuje to na heterogeniczność generałów wirusów (wśród nich są osoby stabilne i niestabilne), chociaż mają ten sam genotyp. Rysunek z omawianego artykułu w Nauka

Ale jeśli wszystkie cząsteczki wirusowe w próbce są takie same, to muszą się zwinąć ze stałą szybkością. Wynik sugeruje, że ogólne wirusy wydają się być reprezentowane przez dwa różne fenotypy, z których jeden jest niestabilny i szybko się zapada (głównie w pierwszym dniu), a drugi powoli (w przybliżeniu w tym samym tempie, co " dzikie "wirusy"). Jednak genotyp wszystkich specjalistów jest taki sam. Dlatego mówimy o wariancie niegenetycznym. Najprawdopodobniej chodzi tu o różne warianty fałdowania białka J.

Dalsze eksperymenty dały szereg pośrednich dowodów na to założenie. Można było wykazać, że szybko rozkładająca się część ogólnych wirusów wirusowych w przeważającej mierze wiąże się z OmpF i powoli rozpadającą się frakcją – na LamB. Można to zaobserwować na przykład z faktu, że w miarę niszczenia cząsteczek wirusa, wśród wirusów wirusowych, coraz mniej jest w stanie wiązać się z OmpF, podczas gdy udział związany z LamB rośnie. A jeśli wybierzesz te wirusy, które są powiązane z OmpF, to pozostałe wirusy najpierw lepiej wiążą się z LamB niż oryginalną mieszanką, a po drugie, z czasem rozkładają się wolniej. Dodatkowe eksperymenty potwierdziły, że zmienność wśród ogólnych wirusów wirusowych jest rzeczywiście niegenetyczna, to znaczy nie dziedziczna.

W rezultacie następujący schemat wyłonił innowacje ewolucyjne. Podczas adaptacji do ofiar ze zmniejszoną ekspresją receptora LamB, selekcja zaczęła wspierać takie wirusy w genie Jco pozwoliło białku J silniej związać się z LamB. Osiągnięto to za cenę destabilizacji białka J, co w rezultacie czasami zaczęło się nieprawidłowo składać. Po nabyciu czterech takich mutacji (z których każda zwiększyła powinowactwo J do LamB), białko J ma nowy wariant składania,które pozwoliło na związanie się z innym receptorem – OmpF. Białko o nowej funkcji pojawiło się jako jeden z wariantów fenotypu w ramach zmienności niegenetycznej. Z tym samym genomem niektóre wirusy mogą teraz wiązać się z OmpF, podczas gdy inni właściciele tego samego genotypu są związani z LamB. Tak więc istniały ogólne wirusy. Ponadto każda pojedyncza cząsteczka wirusa jest znacznie bardziej efektywnie związana z jednym z dwóch receptorów niż z drugim. Uogólnienie nastąpiło na poziomie populacji, a nie na poziomie indywidualnym.

W przyszłości ogólne wirusy mogą specjalizować się ponownie, raz w odpowiednich warunkach (tj. Uzyskując dostęp do ofiar, które mają tylko LamB lub OmpF). W trakcie specjalizacji ustalane są mutacje, które zwiększają prawdopodobieństwo, że białko J złoży się w korzystny sposób w tej sytuacji. W rezultacie białko J ponownie się stabilizuje, to znaczy, że zaczyna się fałdować tylko w jeden sposób. Jednocześnie przywracana jest również odporność białka (i całego wirusa) na podwyższoną temperaturę.

W ten sposób znaleziono żywy przykład pojawienia się nowej funkcji poprzez pośredni etap związany z destabilizacją fenotypu.Pozostaje niejasne, jak często powstają w ten sposób ewolucyjne innowacje w wirusach i organizmach komórkowych. Odpowiedź na to pytanie powinna dać dalsze badania.

Źródło: Katherine L. Petrie, Nathan D. Palmer, Daniel T. Johnson, Sarah J. Medina, Stephanie J. Yan, Victor Li, Alita R. Burmeister, Justin R. Meyer. Mutacje destabilizujące kodują nienaenetyczną zmienność, która napędza ewolucyjne innowacje // Nauka. 2018. V. 359. P. 1542-1545.

Zobacz także destabilizację fenotypu i jego ewolucyjną rolę:
1) Destabilizacja rozwoju – droga do ewolucyjnych innowacji, "Elementy", 13.07.2009.
2) Oczy ryb jaskiniowych rozwinęły się z powodu utajonej zmienności genetycznej, "Elements", 24.12.2013.
3) Białko Hsp90 kontroluje aktywność mobilnych elementów genetycznych, elementy, 01/19/2010.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: