На протяжении десятилетий многие биологи-эволюционисты придерживались мнения, что большинство генетических изменений, определяющих гены и белки, являются нейтральными. Согласно этой точке зрения, мутации, как правило, не приносят ни пользы, ни вреда, что позволяет им распространяться незаметно, без сильного одобрения или отторжения естественным отбором.
Новое исследование, проведенное в Мичиганском университете, оспаривает это давнее предположение и указывает на то, что эволюция может работать совсем иначе, чем считалось ранее.
По мере того как виды эволюционируют, возникают случайные генетические мутации. Некоторые из них закрепляются, то есть распространяются до тех пор, пока каждая особь в популяции не будет нести это изменение. Нейтральная теория молекулярной эволюции утверждает, что большинство мутаций, достигающих этой стадии, нейтральны. Вредные мутации быстро устраняются, а полезные, как предполагается, встречаются крайне редко, объясняет биолог-эволюционист Цзяньчжи Чжан.
Чжан и его коллеги решили проверить, насколько эта идея соответствует действительности при более детальном рассмотрении. Их результаты выявили серьезную проблему. Исследователи обнаружили, что полезные мутации встречаются гораздо чаще, чем допускает Нейтральная теория. В то же время они заметили, что общая скорость закрепления мутаций в популяциях значительно ниже, чем можно было бы ожидать, если бы так много полезных мутаций закреплялись.
Чтобы объяснить это противоречие, команда предложила новое объяснение, основанное на изменении окружающей среды. Мутация, которая дает преимущество в одном условии, может стать вредной, как только условия изменятся. Поскольку окружающая среда часто меняется, многие полезные мутации никогда не распространяются достаточно широко, чтобы закрепиться.
«Мы говорим, что результат был нейтральным, но сам процесс – нет», – поясняет Чжан, профессор экологии и эволюционной биологии Мичиганского университета. – «Наша модель предполагает, что природные популяции не являются по-настоящему адаптированными к своей среде обитания, потому что среда меняется очень быстро, и популяции всегда «гонятся» за ней».
Концепцию, разработанную в ходе исследования, опубликованного в Nature Ecology and Evolution при поддержке U.S. National Institutes of Health, Чжан называет Adaptive Tracking with Antagonistic Pleiotropy. Эта идея помогает объяснить, почему организмы редко идеально соответствуют своему окружению.
Исследователь полагает, что полученные данные имеют широкие последствия, в том числе для человека. Современная среда обитания резко отличается от той, с которой сталкивались наши предки, что может помочь объяснить, почему некоторые генетические признаки сегодня служат нам не так хорошо, как раньше.
«Думаю, это имеет обширные последствия. Например, для людей. Наша среда так сильно изменилась, и наши гены, возможно, не являются оптимальными для сегодняшней среды, потому что мы прошли через множество других отличающихся сред. Некоторые мутации могли быть полезными в нашей старой среде, но не соответствуют сегодняшней», – отмечает Чжан.
Он добавил, что степень адаптированности популяции зависит от того, как давно изменилась ее среда.
«В любой момент, когда наблюдается природная популяция, в зависимости от того, когда в последний раз среда претерпела большие изменения, популяция может быть очень плохо или относительно хорошо адаптирована. Но мы, вероятно, никогда не увидим популяцию, полностью адаптированную к своей среде, потому что полная адаптация заняла бы больше времени, чем почти любая природная среда может оставаться постоянной».
Нейтральная теория молекулярной эволюции была представлена в 1960-х годах, когда достижения в секвенировании белков и генов позволили ученым изучать эволюцию на молекулярном уровне, а не фокусироваться только на физических признаках, таких как форма и структура.
Чтобы измерить, как часто возникают полезные мутации, Чжан и его команда проанализировали большие наборы данных глубокого мутационного сканирования, полученные как их собственной лабораторией, так и другими. В этих экспериментах исследователи целенаправленно создавали множество различных мутаций в одном гене или участке генома у таких организмов, как дрожжи и E. coli. Затем они отслеживали эти организмы на протяжении многих поколений и сравнивали их рост с ростом дикого типа – наиболее распространенной формы, встречающейся в природе. Измеряя различия в росте, исследователи могли оценить, помогла ли мутация организму или навредила.
Результаты показали, что более 1% мутаций были полезными. Эта доля значительно выше, чем предсказывает Нейтральная теория. Если бы все эти полезные мутации закреплялись, почти все генетические изменения были бы полезными, и эволюция протекала бы гораздо быстрее, чем наблюдают ученые. Это осознание побудило команду поставить под сомнение предположение о постоянстве среды с течением времени.
Для изучения влияния изменений окружающей среды исследователи изучили две группы дрожжей. Одна группа эволюционировала в стабильной среде в течение 800 поколений (каждое поколение длилось 3 часа). Вторая группа эволюционировала в течение того же количества поколений, но в меняющейся среде, состоящей из 10 различных типов питательных сред или растворов для роста. Каждая среда использовалась в течение 80 поколений, после чего сменялась следующей.
Дрожжи, подвергавшиеся меняющимся условиям, показали значительно меньшее закрепление полезных мутаций, чем те, что находились в стабильной среде. Даже когда появлялись выгодные мутации, они редко сохранялись достаточно долго, чтобы распространиться до того, как условия снова изменятся.
«Именно здесь возникает несоответствие. Хотя мы наблюдаем множество полезных мутаций в данной среде, эти полезные мутации не имеют шанса закрепиться, потому что по мере увеличения их частоты до определенного уровня среда меняется», – объяснил Чжан. – «Эти полезные мутации в старой среде могут стать вредными в новой».
Чжан предупредил, что исследование было сосредоточено на дрожжах и E. coli – одноклеточных организмах, где эффекты мутаций легче измерить. Данные от многоклеточных организмов потребуются для определения, применимы ли те же закономерности к более сложным формам жизни, включая человека.
Исследовательская группа теперь планирует последующие исследования, чтобы лучше понять, почему организмам требуется так много времени для полной адаптации, даже когда условия окружающей среды остаются стабильными. Среди других авторов исследования – бывшие аспиранты Мичиганского университета Силян Сун (Siliang Song) и Сюйкан Шэнь (Xukang Shen), а также бывший постдокторский исследователь Пиаопяо Чэнь (Piaopiao Chen).
