В то время как наследуемые генетические мутации могут изменять фенотипические признаки и позволять популяциям адаптироваться к окружающей среде, адаптация часто ограничивается компромиссами: мутация, благоприятная для одного признака, может быть вредной для другого.
Из-за взаимодействия между давлением отбора, присутствующим в сложной среде, и компромиссами, ограничивающими фенотипы, прогнозировать эволюционную динамику сложно.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне показали, как происходит эволюционная динамика, когда отбор воздействует на два признака, регулируемых компромиссом. Результаты продвигают науки о жизни на шаг ближе к пониманию всей сложности эволюции на клеточном уровне.
Сеппе Куэн, доцент кафедры физики и член Центра физики живых клеток в U. я., руководил исследованием. Команда изучила популяции бактерии Escherichia coli, которая может переходить в сотни поколений за одну неделю, что дало широкие возможности для изучения мутаций и их влияния на наследуемые признаки.
Команда отобрала популяции E. coli для более быстрой миграции через пористую среду. Количественная модель показала, что популяции могут достичь самой быстрой миграции, улучшив сразу две характеристики – скорость плавания и скорость роста (деление клеток).
Куэн объясняет: «Это исследование проливает новый свет на то, как происходит эволюция, когда производительность зависит от двух характеристик, которые ограничены компромиссом.
Хотя математическая модель предполагает, что самые быстро мигрирующие популяции должны состоять из клеток, которые быстро плавают и быстро размножаются, мы обнаружили, что популяции достигают более быстрой миграции по двум расходящимся эволюционным путям, которые являются взаимоисключающими: другими словами, эти популяции улучшились в обоих направлениях. скорость плавания или скорость воспроизводства, но не то и другое одновременно."
Дэвид Т. Fraebel, a U. я. аспирант в лабораторной группе Куена, ведущий автор исследования. Он комментирует: «В большинстве экспериментов давление отбора применяется для оптимизации одной характеристики, и в этом контексте наблюдаются компромиссы из-за распада черт, которые не выбираются, а не из-за компромисса между несколькими факторами давления. Мы выбрали плавание и рост одновременно, но E. coli не удалось оптимизировать оба признака одновременно."
Среда отбора, созданная командой, определила, по какой эволюционной траектории следовали популяции. В богатой питательными веществами среде более быстрое плавание означало более медленное размножение; однако в среде с низким содержанием питательных веществ более медленное плавание и более быстрое размножение привели к тому же желаемому результату: более быстрой миграции через пористую среду.
Посредством секвенирования ДНК эволюционировавших популяций команда определила мутации, ответственные за адаптацию в каждом состоянии. Когда они с помощью генной инженерии внедрили эти мутации в основной штамм, эти клетки продемонстрировали более быструю миграцию и тот же фенотипический компромисс, что и эволюционирующие штаммы.
«Наши результаты подтверждают идею о том, что эволюция идет в генетически легком направлении», – говорит Куен. "В богатой питательными веществами среде легко найти мутацию, которая позволяет клеткам плавать быстрее. В среде с низким содержанием питательных веществ легко найти мутацию, которая ускоряет деление клеток.
В обоих случаях мутации нарушают отрицательные регуляторные гены, функция которых заключается в снижении экспрессии генов или уровней белка."
«Другие недавние исследования показали, что в микроэволюции преобладают изменения в негативных регуляторных элементах. Причина: статистически легко найти мутацию, которая ломает вещи, по сравнению с мутацией, которая создает новую функцию или части.
Когда отбор воздействует на два признака, ограниченных компромиссом, фенотип развивается в направлении устранения негативных регуляторных элементов, потому что статистически это простой путь. Это связано с наличием полезных мутаций."
Куэн резюмирует ценность открытия: «Улучшение прогнозного моделирования эволюции потребует понимания того, как мутации изменяют регуляцию клеточных процессов и как эти процессы связаны с компромиссами, ограничивающими характеристики. Раскрытие общих принципов, определяющих взаимосвязь между регулированием и компромиссами, может позволить нам предсказать эволюционные результаты."
Эти результаты опубликованы в онлайн-журнале eLife.