Новый метод предсказывает эволюцию
Предсказание эволюции, вызванной случайным движением, кажется невозможным. Тем не менее ученым AMOLF в Амстердаме и ESPCI в Париже удалось предсказать эволюцию набора генов в E. coli.
Когда и как мутации генов остаются случайными, но представляется предсказуемым, какой ген чаще развивается в первую очередь или возникает эволюционный тупик. Результаты опубликованы 13 апреля в журнале Nature Communications.
«Эволюция в новых средах по своей природе непредсказуема. Мутации обнаруживаются случайным образом в разных генах и в разные моменты», — говорит представитель группы AMOLF Сандер Танс. «Кроме того, вы редко знаете заранее, какое влияние оказывает мутация на клеточные функции и каково влияние факторов окружающей среды».
Другим ключевым осложнением является то, что мутации могут также косвенно влиять друг на друга — мутация, которая является неблагоприятной, может фактически обеспечить эволюционное преимущество в сочетании с другими мутациями.
Каскад сигнализации с белками
Танс и его коллеги исследовали взаимосвязь между мутациями в двух генах внутри бактерии E. coli. Эти гены помогают обнаружить присутствие сахара в окружающей среде. Молекулы сахара активируют первый ген, который, в свою очередь, активирует второй и т. д.
Этот тип системы обнаружения необходим для экспрессии и активации генов в нужный момент, например, ферментов, которые могут разлагать сахар. Следовательно, оптимальное обнаружение может обеспечить существенное эволюционное преимущество. «Задача заключалась в том, чтобы найти способ предсказать, как эта система будет развиваться, — говорит Танс.
«Сначала мы разработали теоретическую модель, но мы быстро поняли что-то довольно простое: если один ген мутирует, то он не влияет непосредственно на свойства другого гена. Само по себе это, похоже, не помогает нашему пониманию эволюции. Вместе с ранее полученными знаниями о том, как активируются гены путем увеличения экспрессии, это приводит к конкретным предсказаниям. Например, мутации в генах в конце такого сигнального каскада могут быть полезными, но это более вероятно, когда гены в начале каскада сначала мутировали, а это означает, что мы можем предсказать, что эволюция протекает в определенном временном порядке и какие гены в начале каскада мутировали первыми. Затем снова может произойти эволюционный тупик: конкретный ген может развиваться только если другой развивается в одно и то же время. Это означает, что если оба гена ждут друг друга, тогда ничего не произойдет».
Кроме того, Танс и его коллеги экспериментально проверили прогнозы в E. coli. Введя ряд мутаций в обоих генах и объединив их во всех возможных последовательностях, можно было проверить взаимодействие между генами и, следовательно, проверить предсказания.
Эволюционная карта погоды
Прогнозирование эволюции таким образом несколько похоже на то, как метеорологи прогнозируют погоду. Например, они указывают вероятность дождя. «Дело в том, что предсказание не обязательно должно быть точным», — говорит Танс.
«Мы не прогнозируем, где и когда возникают мутации, а скорее предсказываем определенные ограничения эволюционного процесса, что в конечном счете, обеспечивает вероятности для разных сценариев. Наше исследование показывает, что такие прогнозы в эволюции возможны. Этот тип прогностического понимания может быть очень полезным. Например, это может помочь ограничить эволюцию устойчивости бактерий к антибиотикам путем введения антибиотиков в определенных последовательностях».
В более долгосрочной перспективе исследование поднимает вопросы об эволюции в других контекстах. «Возьмите, к примеру, вопрос о том, развиваются ли люди по-разному, и каковы ограничения в развитии, — говорит Танс.
«В общем, в эволюционных исследованиях мы обычно изучаем эволюцию исторически как в природе, так и в лаборатории. Но также интересно и полезно рассмотреть, что возможно или невозможно в будущем».
Больше информации: Philippe Nghe, Manjumatha Kogenaru, Sander Tans, Sign epistasis caused by hierarchy within signaling cascades, Nature Communications, 13 April 2018
DOI: 10.1038/s41467-018-03644-8