Клональное вмешательство
Клональная интерференция — явление в эволюционной биологии, связанное с популяционной генетикой организмов со значительным неравновесием по сцеплению , особенно организмов, размножающихся бесполым путем . Идею клональной интерференции выдвинул американский генетик Герман Джозеф Мюллер в 1932 году. [1] Это объясняет, почему полезным мутациям может потребоваться много времени, чтобы закрепиться или даже исчезнуть в популяциях, размножающихся бесполым путем. Как следует из названия, клональная интерференция происходит в бесполой линии («клон») с полезной мутацией. Эта мутация, скорее всего, зафиксируется, если она произошла одна, но она может не зафиксироваться или даже исчезнуть, если в той же популяции возникнет другая линия полезной мутации; несколько клонов мешают друг другу.
Механизм клональной интерференции
[ редактировать ]Всякий раз, когда в популяции возникает полезная мутация, например мутация А, носитель мутации приобретает более высокую приспособленность по сравнению с членами популяции без мутации А посредством естественного отбора . В отсутствие генетической рекомбинации (т.е. в организмах, размножающихся бесполым путем) эта полезная мутация присутствует только в клонах клетки, в которой возникла мутация. Из-за этого относительная частота мутации А со временем увеличивается лишь медленно. В больших популяциях, размножающихся бесполым путем, может пройти много времени, прежде чем мутация зафиксируется. За это время у другой особи популяции может самостоятельно возникнуть другая полезная мутация, например мутация B. Мутация B также увеличивает приспособленность носителя. В этом контексте мутацию A часто называют «исходной мутацией», тогда как мутацию B называют «альтернативной» или «мешающей» мутацией. Поскольку из-за отсутствия генетической рекомбинации полезные мутации А и В не могут (легко) объединиться в единый генотип АВ, носители мутации А и носители мутации В будут конкурировать друг с другом. Обычно это приводит к потере одного из них, [2] подтверждение того, что судьба выгодной мутации может определяться другими мутациями, присутствующими в той же популяции. [3]
Напротив, в популяциях, размножающихся половым путем, оба носителя мутаций А и В имеют более высокую приспособленность и, следовательно, более высокий шанс выжить и произвести потомство. Когда носитель мутации А производит потомство с носителем мутации В, может возникнуть в конечном итоге более выгодный генотип AB. Лица с генотипом AB имеют не меньшую вероятность размножения, чем по крайней мере один из: носителей только мутации A или носителей только мутации B ─ при условии, что между ними нет отрицательного взаимодействия. Таким образом, относительная частота обеих мутаций А и В может быстро увеличиваться, и обе могут одновременно фиксироваться в популяции. Это позволяет эволюции идти быстрее — явление, известное как эффект Хилла-Робертсона .
Влияние клонального вмешательства на адаптивность
[ редактировать ]Когда Мюллер представил феномен клональной интерференции, он использовал его, чтобы объяснить, почему развилось половое размножение. Он рассуждал, что потеря полезных мутаций из-за клональной интерференции подавляет адаптивность видов, размножающихся бесполым путем. Таким образом, по мнению Мюллера, секс и другие репродуктивные стратегии, включающие рекомбинацию, были бы эволюционно выгодными. [1] Однако с 1970-х годов биологи продемонстрировали, что стратегии бесполого и полового размножения обеспечивают одинаковую скорость эволюционной адаптивности. Это связано с тем, 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 персистенцию внехромосомной ДНК в форме плазмид . [4] Плазмиды часто несут гены, кодирующие такие признаки, 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 адаптируются к клетке-хозяину, что часто приводит к потере плазмиды во время деления клетки . Таким образом, относительная частота носителей этой плазмиды в популяции может снижаться. Тем не менее, плазмиды также могут подвергаться мутациям, что приводит к конкуренции между носителями плазмид. Из-за этой конкуренции в конечном итоге будут выбраны наиболее стабильные плазмиды, и их частота в популяции увеличится. Таким образом, клональная интерференция влияет на эволюционную динамику адаптации плазмиды-хозяина, что приводит к более быстрой стабилизации плазмид в популяции.
Клинические последствия и применение
[ редактировать ]Феномен клональной интерференции также встречается в линиях раковых и предраковых клеток у пациента. [5] Гетерогенность, обнаруженная в клетках канцерогенных опухолей, предполагает конкуренцию между субпопуляциями клеток опухоли и, следовательно, клональную интерференцию. [6] Поэтому популяционная динамика внутри раковых линий приобретает все большее значение в клинических исследованиях методов лечения рака. [7] Кроме того, знания о роли популяционной динамики и клональной интерференции, часто приводящей к устойчивости к антибиотикам, принимаются во внимание при лечении инфекционных заболеваний антибиотиками.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Джерриш П.Дж., Ленски Р.Э. (1998), «Судьба конкурирующих полезных мутаций в бесполой популяции», Мутация и эволюция , том. 102–103, нет. 1–6, Springer Нидерланды, стр. 127–144, doi : 10.1007/978-94-011-5210-5_12 , ISBN. 9789401061933 , PMID 9720276
- ^ Имхоф М., Шлоттерер К. (январь 2001 г.). «Фитнес-эффекты полезных мутаций в развивающихся популяциях Escherichia coli» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 1113–7. дои : 10.1073/pnas.98.3.1113 . ПМК 14717 . ПМИД 11158603 .
- ^ Ланг Г.И., Райс Д.П., Хикман М.Дж., Содергрен Э., Вайнсток Г.М., Ботштейн Д., Десаи М.М. (август 2013 г.). «Повсеместное генетическое путешествие автостопом и клональное вмешательство в сорока развивающихся популяциях дрожжей» . Природа . 500 (7464): 571–4. дои : 10.1038/nature12344 . ПМЦ 3758440 . ПМИД 23873039 .
- ^ Хьюз Дж.М., Ломан Б.К., Декерт Дж.Е., Николс Э.П., Сеттлс М., Абдо З., Топ EM (31 августа 2012 г.). «Роль клонального вмешательства в эволюционной динамике адаптации плазмиды-хозяина» . мБио . 3 (4): e00077–12. дои : 10.1128/mBio.00077-12 . ПМЦ 3398533 . ПМИД 22761390 .
- ^ Бейкер А.М., Грэм Т.А., Райт Н.А. (март 2013 г.). «Предопухолевые клоны, периодическая селекция и клональное вмешательство в возникновение и прогрессирование рака желудочно-кишечного тракта: потенциал для разработки биомаркеров». Журнал патологии . 229 (4): 502–14. дои : 10.1002/путь.4157 . ПМИД 23288692 . S2CID 43031735 .
- ^ Марусик А., Табассум Д.П., Альтрок П.М., Альмендро В., Михор Ф., Поляк К. (октябрь 2014 г.). «Неклеточно-автономное управление ростом опухоли поддерживает субклональную гетерогенность» . Природа . 514 (7520): 54–8. дои : 10.1038/nature13556 . ПМК 4184961 . ПМИД 25079331 .
- ^ Королев К.С., Ксавье Дж.Б., Гор Дж. (май 2014 г.). «Поворот экологии и эволюции против рака». Обзоры природы. Рак . 14 (5): 371–80. дои : 10.1038/nrc3712 . ПМИД 24739582 . S2CID 10596049 .