Клональное вмешательство - Clonal interference

Эта диаграмма показывает, как секс может создать роман генотипы быстрее. Два выгодных аллели А и B происходят случайно. Два аллеля быстро рекомбинируются в сексуальной популяции (вверху), но в бесполой популяции (внизу) два аллеля часто возникают в разных линиях и конкурируют друг с другом.

Клональное вмешательство это явление в эволюционной биологии, связанное с популяционная генетика организмов со значительными нарушение равновесия по сцеплению, особенно бесполое размножение организмы. Идея клонального вмешательства была предложена американским генетиком. Герман Йозеф Мюллер в 1932 г.[1] Это объясняет, почему полезно мутации может потребоваться много времени, чтобы закрепиться или даже исчезнуть в популяциях бесполого размножения. Как следует из названия, клональная интерференция происходит в бесполой линии («клон») с полезной мутацией. Эта мутация, вероятно, была бы исправлена, если бы произошла одна, но она может не быть исправлена ​​или даже быть утеряна, если в той же популяции возникнет другая линия полезной мутации; несколько клонов мешают друг другу.

Механизм клональной интерференции

Когда в популяции возникает полезная мутация, например мутация A, носитель мутации получает более высокую приспособленность по сравнению с представителями популяции без мутации A посредством естественный отбор. В отсутствие генетическая рекомбинация (то есть в организмах, размножающихся бесполым путем) эта полезная мутация присутствует только в клонах клетки, в которой возникла мутация. Из-за этого относительная частота мутации A со временем медленно увеличивается. В больших популяциях, размножающихся бесполым путем, фиксация мутации может занять много времени. В это время другая полезная мутация, например мутация B, может возникнуть независимо у другого человека в популяции. Мутация B также увеличивает приспособленность носителя. В этом контексте мутацию A часто называют «исходной мутацией», тогда как мутацию B называют «альтернативной» или «мешающей» мутацией.

В популяциях, размножающихся половым путем, оба носителя мутаций A и B имеют более высокую приспособленность и, следовательно, больше шансов выжить и произвести потомство. Когда носитель мутации A производит потомство с носителем мутации B, может возникнуть более подходящий генотип AB. Люди с генотипом AB снова имеют более высокую приспособленность и, следовательно, они, вероятно, произведут больше потомства, если предположить, что между двумя мутациями нет отрицательного взаимодействия. Таким образом, относительная частота мутаций A и B может быстро увеличиваться, и обе могут фиксироваться в популяции одновременно. Это позволяет эволюции протекать быстрее - явление, известное как Эффект Хилла-Робертсона.

Напротив, в популяциях, размножающихся бесполым путем, полезные мутации A и B не могут (легко) быть объединены в один более подходящий генотип AB из-за отсутствия генетической рекомбинации. Следовательно, носители мутации A и носители мутации B будут соревноваться друг с другом. Обычно это приводит к потере одного из них,[2] подтверждая, что судьба полезной мутации может быть определена другими мутациями, присутствующими в той же популяции.[3]

Влияние клональной интерференции на адаптивность

Когда Мюллер представил феномен клонального вмешательства, он использовал его, чтобы объяснить, почему возникло половое размножение. Он рассудил, что потеря полезных мутаций из-за клонального вмешательства подавляет адаптивность видов, размножающихся бесполым путем. Таким образом, согласно Мюллеру, секс и другие репродуктивные стратегии, включающие рекомбинацию, будут иметь эволюционные преимущества.[1] Однако с 1970-х годов биологи продемонстрировали, что стратегии бесполого и полового размножения дают одинаковую скорость эволюционной адаптации. Это связано с тем фактом, что клональное вмешательство также влияет на другую часть репродуктивной стратегии популяции, а именно на скорость мутаций.

Клональная интерференция не только играет роль в фиксации мутаций в хромосомной ДНК, но также влияет на стабильность или устойчивость внехромосомной ДНК в форме плазмиды.[4] Плазмиды часто несут гены, кодирующие такие черты, как устойчивость к антибиотикам. Из-за этого бактерии могут стать устойчивыми к антибиотикам при отсутствии генов, кодирующих этот признак, в их хромосомной ДНК. Однако плазмиды не всегда адаптированы к их клетке-хозяину, что часто приводит к потере плазмиды во время деление клеток. Таким образом, относительная частота носителей этой плазмиды в популяции может снижаться. Однако и в этих плазмидах могут возникать мутации, приводящие к конкуренции между носителями плазмид. Из-за этой конкуренции в конечном итоге будут отбираться наиболее стабильные плазмиды, и их частота в популяции будет увеличиваться. Таким образом, клональная интерференция влияет на эволюционную динамику адаптации плазмиды к хозяину, что приводит к более быстрой стабилизации плазмид в популяции.

Клинические последствия и применение

Явление клональной интерференции также встречается в рак и клоны предраковых клеток у пациента.[5] Гетерогенность клеток канцерогенных опухолей подразумевает конкуренцию между субпопуляциями клеток опухоли и, следовательно, клональную интерференцию.[6] Таким образом, динамика популяций внутри раковых линий приобретает все большее значение в клинических исследованиях методов лечения рака.[7] Кроме того, при лечении инфекционных заболеваний антибиотиками учитываются знания о роли популяционной динамики и клонального вмешательства, часто приводящего к устойчивости к антибиотикам.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Герриш П.Дж., Ленски Р.Э. (1998), «Судьба конкурирующих полезных мутаций в бесполой популяции», Мутация и эволюция, Springer, Нидерланды, стр. 127–144, Дои:10.1007/978-94-011-5210-5_12, ISBN  9789401061933
  2. ^ Имхоф М., Шлоттерер С. (январь 2001 г.). «Фитнес-эффекты выгодных мутаций в развивающихся популяциях Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (3): 1113–7. Дои:10.1073 / пнас.98.3.1113. ЧВК  14717. PMID  11158603.
  3. ^ Ланг Г.И., Райс Д.П., Хикман М.Дж., Содергрен Э., Вайншток Г.М., Ботштейн Д., Десаи М.М. (август 2013 г.). «Повсеместный генетический автостоп и клональное вмешательство в сорока развивающихся популяциях дрожжей». Природа. 500 (7464): 571–4. Дои:10.1038 / природа12344. ЧВК  3758440. PMID  23873039.
  4. ^ Хьюз Дж. М., Ломан Б. К., Декерт Г. Е., Николс Э. П., Сеттлс М., Абдо З., Топ EM (31 августа 2012 г.). «Роль клональной интерференции в эволюционной динамике адаптации плазмиды к хозяину». мБио. 3 (4): e00077–12. Дои:10.1128 / mBio.00077-12. ЧВК  3398533. PMID  22761390.
  5. ^ Бейкер AM, Грэм Т.А., Райт Н.А. (март 2013 г.). «Предопухолевые клоны, периодический отбор и клональное вмешательство в происхождение и прогрессирование рака желудочно-кишечного тракта: потенциал для развития биомаркеров». Журнал патологии. 229 (4): 502–14. Дои:10.1002 / path.4157. PMID  23288692.
  6. ^ Марусык А., Табассум Д.П., Альтрок П.М., Альмендро В., Мичор Ф, Поляк К. (октябрь 2014 г.). «Неклеточно-автономное управление ростом опухоли поддерживает субклональную гетерогенность». Природа. 514 (7520): 54–8. Дои:10.1038 / природа13556. ЧВК  4184961. PMID  25079331.
  7. ^ Королев К.С., Ксавье Дж. Б., Гор Дж. (Май 2014 г.). «Обращение экологии и эволюции против рака». Обзоры природы. Рак. 14 (5): 371–80. Дои:10.1038 / nrc3712. PMID  24739582.