Phá hủy đột biến mở đường cho sự đổi mới tiến hóa • Alexander Markov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Di truyền học, Sinh học phân tử, Tiến hóa

Phá hủy đột biến mở đường cho sự đổi mới tiến hóa.

Hình 1. Đề án cấu trúc và quan điểm chung của lambda thực thể. Tên của các protein được ký (C, D, E, W, B ', FII, U, V, tfa, stf, M, L, J, H); trong ngoặc số lượng phân tử của một protein nhất định trong một hạt virus được chỉ định. Để gắn kết với thụ thể – protein bề mặt của nạn nhân (vi khuẩn Escherichia coli) – tương ứng với protein J, nằm ở cuối chân của virus. Ảnh từ S. V. Rajagopala et al., 2011. Bản đồ tương tác protein của lambda khuẩn khuẩn

Các nhà sinh học Mỹ đã giải mã được cơ chế tiến hóa cho phép lambda khuẩn trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm phát triển một phương pháp mới để lây nhiễm các tế bào vi khuẩn. Đổi mới tiến hóa phát sinh để đáp ứng với vi khuẩn có được sự đề kháng với phương pháp tấn công virus cũ dựa trên sự gắn kết của protein virus J với protein bề mặt vi khuẩn LamB. Trong tình huống này, lựa chọn đầu tiên sửa chữa đột biến trong gen. Jtăng cường chức năng cũ. "Phí" để ràng buộc tốt hơn với LamB là sự bất ổn của protein J. Kết quả là, virus thu được trong đó, với cùng một bộ gen, protein J có thể có hai cấu hình không gian khác nhau. Đồng thời, các hạt virus với J "xếp" đúng cách lây nhiễm cho các nạn nhân theo cách cũ, trong khi những người khác (với cùng bộ gen, nhưng với J "không chính xác") làm theo một cách mới, gắn với một protein bề mặt vi khuẩn khác (OmpF).Trong tương lai, cả hai biến thể có thể được ổn định bằng cách sửa các đột biến bổ sung, điều này thực sự dẫn đến việc tách vi rút ban đầu thành hai loại. Công trình xác nhận cũ, nhưng có ít bằng chứng thực nghiệm, ý tưởng rằng các chức năng mới có thể phát triển thông qua một giai đoạn trung gian của sự bất ổn của kiểu hình với sự ổn định tiếp theo ("đồng hóa di truyền") của các sai lệch không di truyền thành công.

Các nhà lý thuyết từ lâu đã thảo luận về vai trò có thể làm mất ổn định kiểu hình trong sự xuất hiện của những đổi mới tiến hóa. Người ta cho rằng các cải tiến có thể xảy ra như sau: "→ hình thái ổn định (ví dụ, sự thay đổi mạnh mẽ trong môi trường) → sự tăng trưởng của sự biến đổi không di truyền → sự đồng hóa di truyền của kiểu hình thành công, đó là định hình các đột biến ổn định biến thể của kiểu hình, hóa ra là thích nghi trong điều kiện mớiÝ tưởng này có vẻ hợp lý, nhưng nó vẫn có rất ít bằng chứng thực nghiệm trực tiếp (xem các liên kết ở phần cuối của tin tức).

Các nhà sinh vật học Mỹ làm việc với vi khuẩn lambda (xemLambda phage), bổ sung bộ sưu tập các ví dụ đã xác nhận về tính hiệu quả của cơ chế này với một cuộc triển lãm khác.

Một sự mới lạ tiến hóa, có hệ thống xảy ra trong phage λ trong những điều kiện nhất định, đã được nghiên cứu. Thông thường, loài thực vật này lây nhiễm cho các nạn nhân của nó, Escherichia coli Escherichia colibằng cách gắn vào protein bề mặt LamB (receptor). Tuy nhiên, các nạn nhân có thể phát triển tính kháng với virus bằng cách tích lũy các đột biến làm giảm mức độ biểu hiện của thụ thể này. Số lượng phân tử LamB trên bề mặt tế bào vi khuẩn bị giảm, và virus không có gì để nắm bắt.

Trong sự hiện diện của vi khuẩn kháng thuốc, virus trải qua một sự lựa chọn chuyên sâu cho khả năng bám càng hiệu quả càng tốt đối với vài phân tử LamB còn lại. Lựa chọn tuần tự thiết lập 4-7 đột biến trong gen mã hóa protein protein J. Protein này nằm ở cuối thân virus và chịu trách nhiệm gắn vào LamB (Hình 1).

Đáng ngạc nhiên, những đột biến này không chỉ làm tăng sức mạnh liên kết với LamB mà còn cho protein J khả năng mới gắn vào một protein bề mặt vi khuẩn khác, OmpF. Trên thực tế, virus tạo ra một cách mới để lây nhiễm các tế bào vi khuẩn.Những vi-rút này đã lây nhiễm thành công vi khuẩn thậm chí thiếu LamB (J.R. Meyer và cộng sự, 2012. Tính lặp lại và đổi mới quan trọng trong Phage Lambda).

Gần đây nó đã được chứng minh rằng virus tổng quát kết quả (có khả năng lây nhiễm cho nạn nhân của họ theo hai cách) sau đó có thể chuyên một lần nữa, đó là, mất một trong hai phương pháp lây nhiễm, tối ưu hóa khác. Điều này có thể dẫn đến sự suy đoán (chia thành hai loại). Mặc dù các phage không có sự sinh sản hữu tính, chúng có sự tái tổ hợp – sự trao đổi các vùng bộ gen giữa các virus đã nhiễm cùng một tế bào. Xét về ý nghĩa tiến hóa, điều này gần như giống như sinh sản hữu tính. Hóa ra là sự thích ứng với các vật chủ, chỉ có một trong hai thụ thể (LamB hoặc OmpF), dẫn đến việc phân chia các virus vi-rút nói chung thành hai nhóm chuyên biệt, mỗi nhóm chỉ có thể lây nhiễm một loại nạn nhân. Các virus như vậy không còn có thể thay đổi gen với nhau, bởi vì đột biến không tương thích được cố định trong bộ gen của chúng (J. R. Meyer và cộng sự, 2016. Sinh thái học của lambda khuẩn trong allopatry và sympatry). Do đó, chúng có thể được coi là các loại khác nhau.

Trong quá trình nghiên cứu mới, kết quả được công bố trên tạp chí Khoa học, Các nhà virus học người Mỹ đã tìm ra cách protein J của virus nói chung có thể kết hợp hai chức năng.Trong các sinh vật tế bào, những thay đổi tiến hóa như vậy thường xảy ra do sự sao chép gen với sự phân chia chức năng tiếp theo giữa các bản sao. Nhưng các tổng quát thực vật có một gen J không trùng lặp.

Một cơ chế thay thế có liên quan đến sự mất ổn định protein. Các tác giả cho rằng những đột biến cố định trong gen J trong các nhà tổng quát thực vật, họ đã giới thiệu một yếu tố hỗn loạn trong quá trình gấp protein mã hóa (xem protein gấp). Có khả năng là protein J trong các nhà tổng quát thực vật có thể nhận hai sự phù hợp khác nhau, một trong số đó gắn với LamB, và một khác với OmpF.

Sự mất ổn định cấu trúc không gian của một protein thường đi kèm với sự giảm sức đề kháng của nó đối với sự gia tăng nhiệt độ. Do đó, các nhà khoa học bắt đầu thử nghiệm giả thuyết của họ bằng cách đánh giá độ bền của virus quá nóng. Để làm được điều này, chúng giữ các hạt virus với các kiểu gen khác nhau cho các giờ khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau (từ 37 ° C – nhiệt độ tối ưu cho thực khuẩn λ đến 55 ° C) và theo dõi tỷ lệ phần trăm virus sẽ tồn tại. Thí nghiệm đã sử dụng kiểu gen tương ứng với các giai đoạn khác nhau của con đường tiến hóa được nghiên cứu trước đó từ virus ban đầu (chỉ gắn với LamB) với virus tổng quát.Virus được nghiên cứu chỉ khác nhau ở những đột biến trong gen Jvà phần còn lại của bộ gen là như nhau.

Kết quả khẳng định sự mong đợi của các nhà nghiên cứu (Hình 2). Hóa ra là những đột biến trong gen Jtrong đó, trong quá trình thích nghi của virus cho các nạn nhân bị giảm biểu hiện LamB, làm tăng ái lực của J đối với LamB, và sau đó làm cho nó có thể liên kết với OmpF, đồng thời làm giảm sự ổn định nhiệt của protein J.

Hình 2 Khả năng chịu nhiệt của các hạt virus với các kiểu gen khác nhau. Trục tung – tỷ lệ của các hạt virus giữ lại khả năng tồn tại của chúng sau một giờ lão hóa ở nhiệt độ được chỉ ra trên trục ngang. Đường liền màu đen – "loại hoang dã" (0 đột biến), tức là, một loại virus có phiên bản protein J ban đầu, chỉ gắn với thụ thể LamB. Đường chấm đen – 3 đột biến trong protein J, làm tăng ái lực với LamB, nhưng chưa tạo cơ hội gắn kết với OmpF. Đường màu xanh lục – kiểu gen với 4-7 đột biến ở J, có khả năng liên kết với cả hai thụ thể (virus tổng quát). Hình từ bài viết được thảo luận trong Khoa học

Tuy nhiên, điều này trong chính nó vẫn không nói gì, bởi vì đột biến thay đổi trình tự axit amin của protein thường làm giảm sức đề kháng của protein quá nóng – điều này là phổ biến.Nhưng trong trường hợp này, mọi thứ thú vị hơn. Các tác giả đã kiểm tra độ nhạy nhiệt của các virus nói trên – con cháu của những người theo chủ nghĩa tổng quát, những người, trong quá trình tiến hóa hơn nữa, đã trở thành các chuyên gia một lần nữa, mất khả năng gắn vào một trong hai thụ thể. Những loại virus này là "chuyên gia thứ cấp" trong gen J thậm chí nhiều đột biến hơn so với phiên bản gốc so với phiên bản chung. Tuy nhiên, sức đề kháng của chúng đối với sức nóng là cao như của virus “hoang dã”. Do đó, đột biến "tổng quát" giảm tính ổn định nhiệt, và "chuyên" tăng nó một lần nữa.

Kết quả thú vị nhất thu được khi các tác giả phân tích thời giantạiĐộng lực của sự phá hủy các hạt virus ở nhiệt độ tối ưu của chúng là 37 ° C. Trong thí nghiệm, các chủng với sức đề kháng nhiệt tối đa và tối thiểu đã được sử dụng, đó là các loại virus hoang dã và tổng quát có 7 đột biến (đường liền màu đen và xanh trong Hình 2 tương ứng với hai kiểu gen này). Hóa ra là các tổng quát cuối cùng đã phá vỡ nhanh hơn các loại virus "hoang dã". Đây là kết quả mong đợi, vì ít vi rút chịu nhiệt, chúng ta nên mong đợi ít ổn định hơn ở nhiệt độ tối ưu.Điều thú vị hơn là một điều nữa: các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong hai ngày đầu tiên, việc tiêu diệt các loại virus hoang dã diễn ra với tốc độ không đổi, trong khi những người tổng quát giảm nhanh hơn trong ngày đầu tiên so với thứ hai (Hình 3).

Hình 3 Động lực của sự phá hủy các hạt virus ở 37 ° C. Đường màu đen – vi-rút có kiểu gốc, màu xanh lục – tổng quát với bảy đột biến trong gen J. Nó được thấy rằng trước đây bị phá hủy ở một tốc độ không đổi, trong khi thứ hai bị phá hủy nhanh hơn vào ngày đầu tiên hơn vào thứ hai. Điều này cho thấy tính không đồng nhất của các tướng virus (trong số đó có các cá thể ổn định và không ổn định), mặc dù chúng có cùng kiểu gen. Hình từ bài viết được thảo luận trong Khoa học

Nhưng nếu tất cả các hạt virus trong mẫu đều giống nhau, thì chúng phải sụp đổ với tốc độ không đổi. Kết quả cho thấy virus tổng quát dường như được đại diện bởi hai kiểu hình khác nhau, một trong số đó không ổn định và sụp đổ nhanh chóng (chủ yếu là trong ngày đầu tiên), và chậm khác (xấp xỉ với cùng tốc độ như " "virus" hoang dã. Tuy nhiên, kiểu gen của tất cả các tổng quát là như nhau. Vì vậy, chúng ta đang nói về biến thể không di truyền. Rất có thể, điểm ở đây là trong các biến thể khác nhau của sự gấp nếp của protein J.

Các thí nghiệm khác đã đưa ra một số bằng chứng gián tiếp về giả định này. Có thể thấy rằng phần virus phân rã nhanh chóng của virus virus chủ yếu liên kết với OmpF, và phần phân hủy chậm – với LamB. Điều này có thể được nhìn thấy, ví dụ, từ thực tế là, khi các hạt virus bị phá hủy, trong số các virus virus nói chung, vẫn còn ít và có khả năng ràng buộc với OmpF, trong khi tỷ lệ liên quan với LamB đang tăng lên. Và nếu bạn chọn những virus có liên quan đến OmpF, thì những virus còn lại, trước tiên, liên kết tốt hơn với LamB so với hỗn hợp ban đầu, và thứ hai, theo thời gian, chúng phân hủy chậm hơn. Các thí nghiệm bổ sung đã xác nhận rằng sự biến đổi giữa các virus virus nói chung thực sự là không di truyền, đó là, không di truyền.

Kết quả là, chương trình sau đã nổi lên sự đổi mới tiến hóa. Trong quá trình thích nghi với các nạn nhân bị giảm biểu hiện của thụ thể LamB, việc lựa chọn bắt đầu hỗ trợ các loại virus như vậy trong gen Jcho phép protein J liên kết chặt chẽ hơn với LamB. Điều này đạt được ở mức giá bất ổn của protein J, mà kết quả đôi khi bắt đầu gấp không chính xác. Sau khi có được bốn đột biến như vậy (mỗi đột biến làm tăng ái lực của J đối với LamB), protein J có một biến thể gấp nếp mới,cho phép liên kết với một thụ thể khác – OmpF. Protein với một chức năng mới đã nổi lên như một trong những biến thể của kiểu hình trong khuôn khổ của biến thể không di truyền. Với cùng một bộ gen, một số vi-rút có thể liên kết với OmpF, trong khi các chủ sở hữu khác có cùng kiểu gen kết hợp với LamB. Vì vậy, có virus tổng quát. Ngoài ra, mỗi hạt virus riêng lẻ được kết hợp hiệu quả hơn với một trong hai thụ thể so với hạt kia. Tổng quát xảy ra ở cấp độ dân số, không phải là cá nhân.

Trong tương lai, virus tổng quát có thể chuyên một lần nữa, một khi trong các điều kiện thích hợp (nghĩa là, tiếp cận được với các nạn nhân chỉ có hoặc chỉ có LamB hoặc OmpF). Trong quá trình chuyên môn hóa, đột biến được cố định làm tăng khả năng protein J sẽ gấp một cách thuận lợi trong tình huống này. Kết quả là, protein J ổn định lại, có nghĩa là, nó bắt đầu gấp chỉ theo một cách. Đồng thời, sức đề kháng của protein (và toàn bộ virus) đến nhiệt độ cao cũng được phục hồi.

Vì vậy, một ví dụ sinh động về sự xuất hiện của một chức năng mới thông qua một giai đoạn trung gian kết hợp với sự bất ổn định của kiểu hình đã được tìm thấy.Nó vẫn chưa rõ làm thế nào thường xuyên đổi mới tiến hóa trong virus và sinh vật tế bào phát sinh theo cách này. Câu trả lời cho câu hỏi này cần phải nghiên cứu thêm.

Nguồn: Katherine L. Petrie, Nathan D. Palmer, Daniel T. Johnson, Sarah J. Medina, Stephanie J. Yan, Victor Li, Alita R. Burmeister, Justin R. Meyer. Phá hủy các đột biến mã hóa biến thể không biến đổi thúc đẩy sự đổi mới tiến hóa // Khoa học. 2018. V. 359. P. 1542-1545.

Xem thêm sự bất ổn của kiểu hình và vai trò tiến hóa của nó:
1) Sự mất ổn định phát triển – con đường dẫn đến những đổi mới tiến hóa, "Yếu tố", 13.07.2009.
2) Đôi mắt của cá hang động phát triển do sự biến đổi di truyền tiềm tàng, "Yếu tố", 24/12/2013.
3) Protein Hsp90 kiểm soát hoạt động của các yếu tố di truyền di truyền, các yếu tố, ngày 19/1/2010.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: