Мутационный кризис

В эволюционной генетике мутационный кризис — это подкласс вихря вымирания , в котором окружающая среда и генетическая предрасположенность взаимно усиливают друг друга. ^[1] Мутационный крах (не путать с понятием катастрофы ошибок). ^[2]) — это накопление вредных мутаций в небольшой популяции , что приводит к потере приспособленности и уменьшению численности популяции, что может привести к дальнейшему накоплению вредных мутаций из-за фиксации генетическим дрейфом .

Популяция, переживающая мутационный кризис, оказывается в ловушке нисходящей спирали и вымрет, если это явление продлится какое-то время. Обычно вредные мутации просто удаляются , но во время мутационного кризиса число особей, не размножающихся (например, в результате ранней смерти), слишком велико по сравнению с общим размером популяции, так что смертность превышает уровень рождаемости .

Объяснение

Механизм мутационного распада заключается в том, что спонтанная вредная мутация внедряется и через некоторое время в конечном итоге закрепляется в популяции. Это, в свою очередь, приводит к накоплению небольших популяций, где скорость роста и размер популяции уменьшаются. Это, как следствие, позволяет мутации накапливать в популяции новые вредные аллели, пока она в конечном итоге не исчезнет. ^[1] Более подробно накопление мутаций в небольших популяциях можно разделить на три фазы. На второй фазе популяция начинается в равновесии мутация/отбор, мутации фиксируются с постоянной скоростью во времени, а размер популяции постоянен, поскольку плодовитость превышает смертность. Однако после того, как в популяции зафиксируется достаточное количество мутаций, рождаемость становится несколько меньше смертности, и численность популяции начинает уменьшаться. Это связано с фиксацией вредных мутаций, что увеличивает смертность. Уровень смертности в популяции в конечном итоге становится слишком большим, теоретически бесконечным, и время, необходимое для фиксации вредных мутантных аллелей, можно приравнять к среднему времени фиксации нейтральной мутации. Это происходит только из-за небольшой популяции, на которую влияет мутация, и время фиксации сравнительно короткое. Меньший размер популяции позволяет быстрее зафиксировать вредные мутации и более быстро сократить численность популяции, что становится необратимым после определенного количества поколений. ^[3]

Сравнение эффектов на бесполое и сексуальное население

У бесполых видов эффекты накопления мутаций более значительны по сравнению с половыми видами. В бесполой популяции все отдельные виды в равной степени подвергаются селективному давлению со стороны окружающей среды, которое включает в себя вредные и/или полезные мутации. Это связано с отсутствием рекомбинации аллелей и разнообразия в геноме, что позволяет накоплению мутаций эффективно захватывать бесполую популяцию. ^[4] Накопление мутации может происходить в течение короткого периода времени, и это связано с тем, что у потомства видов, подвергшихся вредной мутации, не происходит рекомбинации аллелей, переданных родителями. Вместо этого точная копия и количество генов, которые изначально были у родительского вида, передаются потомству без каких-либо генетических изменений. Это ставит бесполые репродуктивные виды под высокое селективное давление мутационного кризиса.

У видов, размножающихся половым путем , время, необходимое для того, чтобы произошел мутационный кризис, занимает больше времени, если вообще происходит. В популяциях, размножающихся половым путем, сегрегация и рекомбинация аллелей позволяют генетическому разнообразию процветать внутри популяции. Генетическое разнообразие увеличивается в геометрической прогрессии по мере увеличения популяции с течением времени. Однако это; не исключает вероятность возникновения вредных мутаций. ^[5] Накопление вредных аллелей может нанести непоправимый ущерб популяции еще до того, как вид успеет размножиться. В смоделированных моделях сексуально размножающихся видов, подвергающихся скоплению вредных аллелей, было показано, что популяция не вымрет, или на это потребуется экспоненциальное количество времени. Это связано с тем, что если популяция, размножающаяся половым путем, подвергается жесткому отбору на наличие вредных мутаций, это приводит к уничтожению большей части популяции. Выжившие особи в популяции будут иметь более низкий уровень приспособленности, а также преодолеют накопление различных вредных мутаций, даже если их геном может иметь устойчивость к предыдущим вредным мутациям.

Вымирание, основанное на накоплении мутаций у половых видов, в отличие от бесполых видов, происходит при предположении, что популяция невелика или сильно ограничена в генетической рекомбинации. ^[6] Однако; даже при определенных условиях в большой популяции мутационный кризис все равно может произойти у видов, размножающихся половым путем. Факторы, которые включают низкую рождаемость и уровень рекомбинации, а также сильный мутационный отбор, могут привести к вымиранию большой популяции, размножающейся половым путем. Напротив, те же условия, которые могут вызвать вымирание популяции, размножающейся половым путем, могут помочь избежать мутационного краха. В проверенной среде, где переменными можно теоретически манипулировать, сильный мутационный отбор в большой популяции, размножающейся половым путем, можно предотвратить от мутационного краха, если уровень рождаемости увеличится.

Влияние как на бесполое, так и на половое размножение населения по-прежнему искажает внешние переменные. В тех случаях, когда большая популяция, размножающаяся половым путем, столкнулась с узким местом , популяция может стать более восприимчивой к мутациям, накапливающимся в популяции с высокой скоростью. Мутационный кризис зависит от внешних переменных, помимо небольшого размера популяции, для устранения частоты аллелей в популяции. В таких случаях мутационный кризис зависит от генетического дрейфа , если говорить о небольшой популяции, чтобы мутация успела зафиксироваться в популяции.

Мутационный кризис в альтруистической популяции

Нитчатая многоклеточная бактерия Streptomyces coelicolor образует колонии, в которых возникает субпопуляция клеток, которые гиперпродуцируют полезные, но метаболически дорогостоящие антибиотики. ^[7] Это приводит к разделению труда, которое повышает общую приспособленность колонии. Поскольку клетки, продуцирующие антибиотики, содержат большие геномные делеции , которые вызывают массовое снижение индивидуальной приспособленности, их альтруистическое поведение похоже на поведение альтруистических каст социальных насекомых или соматических клеток многоклеточных организмов. В течение последующих поколений эти предполагаемые альтруистические клетки продолжают терять свою приспособленность, теряя все больше фрагментов своих хромосом , в то же время подвергаясь примерно 10-кратному увеличению частоты мутаций , возможно, из-за мутаций в генах, отвечающих за репликацию и репарацию ДНК . ^[7] Эти изменения приводят к неизбежному и необратимому мутационному кризису. ^[7]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Корон, Камилла; Мелеар, Сильви; Порчер, Эммануэль; Роберт, Александр (май 2013 г.). «Количественная оценка мутационного кризиса в диплоидных популяциях». Американский натуралист . 181 (5). дои : 10.1086/670022 . ПМИД 23594546 .
^ Эйген, М. (15 октября 2002 г.). «Катастрофа ошибок и антивирусная стратегия» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (21): 13374–6. Бибкод : 2002PNAS...9913374E . дои : 10.1073/pnas.212514799 . ПМК 129678 . ПМИД 12370416 .
^ Роу, Грэм; Биби, Тревор Дж. К. (январь 2003 г.). «Популяция на грани мутационного кризиса? Затраты на генетическую нагрузку для амфибий в дикой природе» . Эволюция . 57 (1): 177–181. дои : 10.1111/j.0014-3820.2003.tb00228.x . ПМИД 12643580 .
^ Линч и др. 1993 год
^ Линч, Конери и Бюргер, 1995 г.
^ Бернард, AT (1995). «Мутационные кризисы в больших сексуальных популяциях» . Журнал де Физика I. 5 (11): 1501–15. дои : 10.1051/jp1:1995213 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Чжан З., Шитут С., Клаусюс Б., Классен Д., Розен Д.Э. (апрель 2022 г.). «Мутационный кризис предполагаемых микробов-альтруистов в Streptomyces coelicolor колониях » . Нат Коммун . 13 (1): 2266. doi : 10.1038/s41467-022-29924-y . ПМК 9046218 . ПМИД 35477578 .

Дальнейшее чтение

Габриэль В., Линч М., Бюргер Р. (декабрь 1993 г.). «Храповик Мюллера и мутационные кризисы». Эволюция . 47 (6): 1744–57. дои : 10.1111/j.1558-5646.1993.tb01266.x . ПМИД 28567994 .
Линч М., Бюргер Р., Батчер Д., Габриэль В. (1993). «Мутационный кризис в бесполых популяциях». Дж. Херед . 84 (5): 339–44. doi : 10.1093/oxfordjournals.jhered.a111354 . ПМИД 8409355 .
Линч М., Габриэль В. (ноябрь 1990 г.). «Мутационная нагрузка и выживание небольших популяций». Эволюция . 44 (7): 1725–37. дои : 10.1111/j.1558-5646.1990.tb05244.x . ПМИД 28567811 .
Линч М., Конери Дж., Бюргер Р. (декабрь 1995 г.). «Мутационные кризисы в сексуальных популяциях». Эволюция . 49 (6): 1067–80. дои : 10.1111/j.1558-5646.1995.tb04434.x . JSTOR 2410432 . ПМИД 28568521 .
Дженсен Дж.Д., Стикелеазер Р.А., Ковалик Т.Ф., Линч М. (декабрь 2020 г.). «Навязанный мутационный кризис как противовирусная стратегия» . Эволюция . 74 (12): 2549–2559. дои : 10.1111/evo.14107 . ПМЦ 7993354 . ПМИД 33047822 .

Внешние ссылки

«Мутационный кризис» Поиск в PubMed.
«мутационный кризис» поиск ученых Google

[Coron_etal-1] Jump up to: ^а ^б Корон, Камилла; Мелеар, Сильви; Порчер, Эммануэль; Роберт, Александр (май 2013 г.). «Количественная оценка мутационного кризиса в диплоидных популяциях». Американский натуралист . 181 (5). дои : 10.1086/670022 . ПМИД 23594546 .

[2] Эйген, М. (15 октября 2002 г.). «Катастрофа ошибок и антивирусная стратегия» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (21): 13374–6. Бибкод : 2002PNAS...9913374E . дои : 10.1073/pnas.212514799 . ПМК 129678 . ПМИД 12370416 .

[3] Роу, Грэм; Биби, Тревор Дж. К. (январь 2003 г.). «Популяция на грани мутационного кризиса? Затраты на генетическую нагрузку для амфибий в дикой природе» . Эволюция . 57 (1): 177–181. дои : 10.1111/j.0014-3820.2003.tb00228.x . ПМИД 12643580 .

[4] Линч и др. 1993 год

[5] Линч, Конери и Бюргер, 1995 г.

[6] Бернард, AT (1995). «Мутационные кризисы в больших сексуальных популяциях» . Журнал де Физика I. 5 (11): 1501–15. дои : 10.1051/jp1:1995213 .

[Zhang2022-7] Jump up to: ^а ^б ^с Чжан З., Шитут С., Клаусюс Б., Классен Д., Розен Д.Э. (апрель 2022 г.). «Мутационный кризис предполагаемых микробов-альтруистов в Streptomyces coelicolor колониях » . Нат Коммун . 13 (1): 2266. doi : 10.1038/s41467-022-29924-y . ПМК 9046218 . ПМИД 35477578 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]