Клональная интерференция

Феномен в эволюционной биологии

Эта диаграмма иллюстрирует, как пол может создавать новые генотипы быстрее. Два выгодных аллеля A и B появляются случайно. Два аллеля быстро рекомбинируются в половой популяции (вверху), но в бесполой популяции (внизу) два аллеля часто возникают в отдельных линиях и конкурируют друг с другом.

Клональная интерференция — это явление в эволюционной биологии, связанное с популяционной генетикой организмов со значительным неравновесием сцепления , особенно организмов, размножающихся бесполым путем . Идея клональной интерференции была введена американским генетиком Германом Джозефом Мюллером в 1932 году. ^[1] Она 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 («клоне») с полезной мутацией. Эта мутация, скорее всего, закрепилась бы, если бы она произошла одна, но она может не закрепиться или даже быть утрачена, если в той же популяции возникнет другая линия полезной мутации; множественные клоны мешают друг другу.

Механизм клональной интерференции

Всякий раз, когда в популяции возникает полезная мутация, например мутация A, носитель мутации получает более высокую приспособленность по сравнению с членами популяции без мутации A посредством естественного отбора . При отсутствии генетической рекомбинации (т. е. в бесполоразмножающихся организмах) эта полезная мутация присутствует только в клонах клетки, в которой возникла мутация. Из-за этого относительная частота мутации A увеличивается медленно с течением времени. В больших бесполоразмножающихся популяциях может пройти много времени, прежде чем мутация зафиксируется. За это время другая полезная мутация, например мутация B, может возникнуть независимо у другой особи 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. Поскольку из-за отсутствия генетической рекомбинации полезные мутации A и B не могут (легко) быть объединены в один генотип AB, носители мутации A и носители мутации B будут конкурировать друг с другом. Это обычно приводит к потере одного из них, ^[2] подтверждая, что судьба полезной мутации может быть определена другими мутациями, присутствующими в той же популяции. ^[3]

Напротив, в популяциях, размножающихся половым путем, оба носителя мутаций A и B имеют более высокую приспособленность и, следовательно, более высокие шансы выжить и произвести потомство. Когда носитель мутации A производит потомство с носителем мутации B, может возникнуть в конечном итоге более выгодный генотип AB. Индивидуумы с генотипом AB тогда имеют не меньшую вероятность размножаться, чем по крайней мере один из: носителей только мутации A или носителей только мутации B ─ предполагая, что нет никакого отрицательного взаимодействия между ними. Таким образом, относительная частота обеих мутаций A и B может быстро увеличиваться, и обе могут быть зафиксированы в популяции одновременно. Это позволяет эволюции протекать быстрее, явление, известное как эффект Хилла-Робертсона .

Влияние клональной интерференции на адаптивность

Когда Мюллер ввел явление клональной интерференции, он использовал его для объяснения того, почему развилось половое размножение. Он рассуждал, что потеря полезных мутаций из-за клональной интерференции подавляет адаптивность видов, размножающихся бесполым путем. Поэтому, по мнению Мюллера, пол и другие репродуктивные стратегии, включающие рекомбинацию, были бы эволюционно выгодными. ^[1] Однако с 1970-х годов биологи продемонстрировали, что стратегии бесполого и полового размножения дают одинаковую скорость эволюционной адаптивности. Это связано с тем фактом, что клональная интерференция 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 персистентность внехромосомной ДНК в форме плазмид . ^[4] Плазмиды часто несут гены, которые кодируют 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 адаптированы 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 наиболее стабильные плазмиды в конечном итоге будут отобраны, и их частота в популяции увеличится. 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

Феномен клональной интерференции также встречается в раковых и предраковых клеточных линиях у пациента. ^[5] Гетерогенность, обнаруженная в клетках канцерогенных опухолей, подразумевает конкуренцию между субпопуляциями клеток в опухоли, отсюда клональная интерференция. ^[6] Таким образом, динамика популяции в раковых линиях приобретает все большее значение в клинических исследованиях методов лечения рака. ^[7] Кроме того, знания о роли динамики популяции и клональной интерференции, часто приводящие к устойчивости к антибиотикам, принимаются во внимание при лечении инфекционных заболеваний антибиотиками.

Смотрите также

Ссылки

^ ab Gerrish PJ, Lenski RE (1998), «Судьба конкурирующих полезных мутаций в бесполой популяции», Mutation and Evolution , т. 102–103, № 1–6, Springer Netherlands, стр. 127–144, doi :10.1007/978-94-011-5210-5_12, ISBN 9789401061933, PMID 9720276
^ Имхоф М., Шлоттерер К. (январь 2001 г.). «Эффекты приспособленности выгодных мутаций в развивающихся популяциях Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 1113–7. doi : 10.1073/pnas.98.3.1113 . PMC 14717. PMID 11158603 .
^ Lang GI, Rice DP, Hickman MJ, Sodergren E, Weinstock GM, Botstein D, Desai MM (август 2013 г.). «Всепроникающий генетический автостоп и клональная интерференция в сорока эволюционирующих популяциях дрожжей». Nature . 500 (7464): 571–4. doi :10.1038/nature12344. PMC 3758440 . PMID 23873039.
^ Хьюз Дж. М., Ломан Б. К., Декерт Дж. Э., Николс Э. П., Сеттлз М., Абдо З., Топ Э. М. (31 августа 2012 г.). «Роль клональной интерференции в эволюционной динамике адаптации плазмиды к хозяину». mBio . 3 (4): e00077–12. doi :10.1128/mBio.00077-12. PMC 3398533 . PMID 22761390.
^ Baker AM, Graham TA, Wright NA (март 2013 г.). «Предопухолевые клоны, периодический отбор и клональная интерференция в возникновении и прогрессировании желудочно-кишечного рака: потенциал для разработки биомаркеров». Журнал патологии . 229 (4): 502–14. doi :10.1002/path.4157. PMID 23288692. S2CID 43031735.
^ Marusyk A, Tabassum DP, Altrock PM, Almendro V, Michor F, Polyak K (октябрь 2014 г.). «Неклеточно-автономное управление ростом опухоли поддерживает субклональную гетерогенность». Nature . 514 (7520): 54–8. doi :10.1038/nature13556. PMC 4184961 . PMID 25079331.
^ Королев KS, Xavier JB, Gore J (май 2014). «Поворот экологии и эволюции против рака». Nature Reviews. Cancer . 14 (5): 371–80. doi :10.1038/nrc3712. PMID 24739582. S2CID 10596049.

[:0-1] Gerrish PJ, Lenski RE (1998), «Судьба конкурирующих полезных мутаций в бесполой популяции», Mutation and Evolution , т. 102–103, № 1–6, Springer Netherlands, стр. 127–144, doi :10.1007/978-94-011-5210-5_12, ISBN 9789401061933, PMID 9720276

[2] Имхоф М., Шлоттерер К. (январь 2001 г.). «Эффекты приспособленности выгодных мутаций в развивающихся популяциях Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 1113–7. doi : 10.1073/pnas.98.3.1113 . PMC 14717. PMID 11158603 .

[3] Lang GI, Rice DP, Hickman MJ, Sodergren E, Weinstock GM, Botstein D, Desai MM (август 2013 г.). «Всепроникающий генетический автостоп и клональная интерференция в сорока эволюционирующих популяциях дрожжей». Nature . 500 (7464): 571–4. doi :10.1038/nature12344. PMC 3758440 . PMID 23873039.

[4] Хьюз Дж. М., Ломан Б. К., Декерт Дж. Э., Николс Э. П., Сеттлз М., Абдо З., Топ Э. М. (31 августа 2012 г.). «Роль клональной интерференции в эволюционной динамике адаптации плазмиды к хозяину». mBio . 3 (4): e00077–12. doi :10.1128/mBio.00077-12. PMC 3398533 . PMID 22761390.

[5] Baker AM, Graham TA, Wright NA (март 2013 г.). «Предопухолевые клоны, периодический отбор и клональная интерференция в возникновении и прогрессировании желудочно-кишечного рака: потенциал для разработки биомаркеров». Журнал патологии . 229 (4): 502–14. doi :10.1002/path.4157. PMID 23288692. S2CID 43031735.

[6] Marusyk A, Tabassum DP, Altrock PM, Almendro V, Michor F, Polyak K (октябрь 2014 г.). «Неклеточно-автономное управление ростом опухоли поддерживает субклональную гетерогенность». Nature . 514 (7520): 54–8. doi :10.1038/nature13556. PMC 4184961 . PMID 25079331.

[7] Королев KS, Xavier JB, Gore J (май 2014). «Поворот экологии и эволюции против рака». Nature Reviews. Cancer . 14 (5): 371–80. doi :10.1038/nrc3712. PMID 24739582. S2CID 10596049.