Információ

Hogyan javíthatók ki a nagyon csekély fitnesz-előnyökkel járó mutációk?

Hogyan javíthatók ki a nagyon csekély fitnesz-előnyökkel járó mutációk?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Van egy kis problémám az evolúciós elmélettel, amit nem tudtam megérteni. Tegyük fel, hogy a genetikai mutációk nemzedékről nemzedékre történnek. Ennek ellenére egyik generációról a másikra a mutáció nagyon kis változásokat fog mutatni (nem hinném, hogy egy zsiráf nyaka 10 cm-t nőne). Ha ez a helyzet, akkor a mutációból származó előnyök nagyon csekélyek lennének. Tehát nem kellene annak a helyzetnek, hogy a zsiráf esetében a mutáció és minden más mutáció nagyon csekély előnnyel jár, tehát a gének átvitelének ebben a szakaszban nem kellene véletlenszerűnek lennie? Ha ez a helyzet, akkor nem értem, hogyan mehetne végbe a természetes szelekció?


Hosszú távon (több száz vagy akár több millió generáción át) apró statisztikai előnyök halmozódnak fel.

Még ha egy mutáció csak +1%-os átlagos szaporodási előnyt ad is, akkor is esély felett van, és ezért ez a mutáció nagyobb valószínűséggel terjed a populációban. (Ha tudsz kódolni, érdekes gyakorlatnak találtam olyan szkripteket írni, amelyek az evolúció generációit szimulálják.)

Az sem feltétlenül igaz, hogy a mutációk hatásának kicsinek kell lennie. Az egyes mutációk halálosak lehetnek, megváltoztathatják a színeket, nagy morfológiai változásokat hozhatnak létre stb. Megesik, hogy a legtöbb nagy hatású mutáció káros, és ezért általában nem terjed el sokáig az egész populációban. Néhány mutáció azonban előnyös lehet, és ezért nagyobb az esélyük az átörökítésre.


Tekintsük a genetikai sodródást: ha egy adott mutáció szelektíven semleges, korlátlan ideig fennmaradhat a populációban, de előfordulhat, hogy a gyakorisága véletlenszerűen változik a különféle nem szelektív hatások miatt. A véletlenszerű gyakorisági ingadozások következtében az allél kiürülhet a populációból, vagy megrögzülhet a populációban annak ellenére, hogy nincs befolyása a populáció egyedeinek természetes szelekciójára.

Most fontolja meg, hogy a mutáció ahelyett, hogy semleges lenne, kissé káros-e. Hatása csekély, ezért sokáig megmaradhat a populációban. Ennek ellenére, mint egy semleges mutáció, véletlenszerű gyakorisági ingadozásoknak van kitéve, így kiküszöbölhető vagy rögzíthető a populációban. Mivel azonban kissé káros, valószínűbb, hogy a fluktuációk megszüntetik a mutációt.

Hasonlóképpen, ha egy mutáció enyhén szelektíven előnyös, akkor is véletlenszerű ingadozásoknak van kitéve, és kiküszöbölhető vagy rögzíthető, de ebben az esetben nagyobb valószínűséggel rögzül a populációban.

Ennek a folyamatnak az egyik nézetét a „molekuláris evolúció közel semleges elmélete” formalizálja.


Kompenzációs mutációk, antibiotikum-rezisztencia és a baktériumok adaptív evolúciójának populációs genetikája

A kiválasztott gyógyszerek hiányában az antibiotikumokkal és más kemoterápiás szerekkel szembeni rezisztencia miatt kialakuló kromoszómális mutációk általában költséget okoznak a mikroorganizmusok alkalmasságában. Friss in vivo és in vitro kísérleti tanulmányok az ezekhez az „ellenállási költségekhez” való alkalmazkodásról in Escherichia coli, HIV és Salmonella typhimurium azt találta, hogy e gyógyszerek hiányában az evolúció általában olyan mutációk felemelkedését eredményezi, amelyek csökkentik ezeket a költségeket, nem pedig a magasabb alkalmasságú, gyógyszerérzékeny revertánsokat. Számítógépes szimulációkat végeztünk, hogy megbizonyosodjunk arról, milyen feltételek mellett fog bekövetkezni ez a kompenzációs evolúció, nem pedig a visszafordulás, in vitro kísérletek és DNS-szekvenálási vizsgálatok alacsony alkalmassággal rpsL (sztreptomicin-rezisztens) mutánsai E. coli mutációkkal és anélkül, amelyek kompenzálják ezen riboszomális fehérjemutációk fitneszköltségeit. Vizsgálataink eredményei alátámasztják azt a hipotézist, hogy ezekben a kísérletekben a közepes kondíciójú kompenzáló mutánsok felemelkedése, nem pedig a magas kondíciójú revertánsok felemelkedése a reverzióhoz képest magasabb kompenzációs mutációk arányának és az ezzel összefüggő számszerű szűk keresztmetszetek számlájára írható. soros átjáró. Azzal érvelünk, hogy ezek a szűk keresztmetszetek a parazita és kommenzális mikrobák populációdinamikájában rejlenek, és megvitatjuk ezeknek az eredményeknek a következményeit a gyógyszerrezisztencia és a parazita és kommenzális mikroorganizmusok adaptív evolúciójának problémájára általában.

A populációgenetika és az evolúciós biológia elemi osztályaiban sok olyan dolgot tanítunk, ami logikus, vagy legalábbis pedagógiailag kényelmes, de kevés vagy semmilyen tapasztalati alappal nem rendelkezik. Az egyik ilyen dolog az, hogy az adaptív evolúció génszubsztitúcióval működik a szelekció alatt álló fenotípus(oka)t kódoló specifikus lókuszokon. A környezet megváltozása következtében egy korábban kedvelt allél, A1, a most kedvelt alternatív allél váltja fel az adott lókuszban, A2. Egy másik ilyen „empirikusan megkérdőjelezett” (politikailag korrekt a gyakorlatilag nem tesztelt) igazságok közül, hogy amíg a környezeti feltételek állandóak maradnak bármely adott populációban, addig az adott környezetben a legmagasabb alkalmasságú mutáns genotípus érvényesül. Az biztos, hogy véges aszexuális populációkban bármely adott lókusz esetében az alacsonyabb kondíciójú, nem reverzibilis mutánsok rögzíthetők, a Muller-féle racsnis valóban megfordul. De mindaddig, amíg további fit mutánsok keletkeznek, végül felváltják ezeket a kevésbé adaptált törzseket, mivel ideiglenes megjelenésük a középpontban van. Végül, legalábbis ehhez a megfontoláshoz, ott van az a nézet, hogy az evolúció visszafordítható folyamat. Amikor egy adott környezethez alkalmazkodott populáció visszatér egy korábbi környezetbe, akkor az adott populáció genomja visszaáll az ősi állapotába.

A közelmúlt eredményei in vitro kísérleti vizsgálatok egy baktériummal, Escherichia coliés egy retrovírus, humán immundeficiencia vírus (HIV) és egy in vivo tanulj vele Salmonella typhimurium a gyógyszerrezisztenciával járó fitnesz terhekhez való alkalmazkodással kapcsolatban megkérdőjelezik ezeket a felfogásokat a mikroorganizmusok adaptív evolúciójának genetikai alapjairól. A riboszómális mutációk (rpsL) felelős a sztreptomicin rezisztenciáért E. coli és sok más baktérium csökkenti a transzláció hatékonyságát, és mint ilyen, jelentős fitneszköltséget okoz (Z engel et al. 1977 B ilgin et al. 1992). Amikor rpsL a mutánsokat sorozatos passzálással (soros transzfer) tartják fenn sztreptomicin-mentes tenyészetben, a populációk rezisztensek maradnak a sztreptomicinnel szemben, de alkalmazkodnak a fittness terheihez. rpsL lókusz kompenzációs mutációival más lókuszokban, amelyek visszaállítják a transzláció hatékonyságát csaknem vad típusú szintre (S chrag és P errot 1996). Ezek sztreptomicin-rezisztensek rpsL a kompenzáló mutációkkal rendelkező törzsek jobban illeszkednek, mint a kompenzálatlanok rpsL mutánsok, de kevésbé illeszkednek, mint a vad típusú sztreptomicin-érzékenyek rpsL + sejtek. A HIV-gyógyszerrezisztencia fitneszköltségeinek vizsgálatában B orman et al. (1996) azt találták, hogy szövettenyészetben a proteázgátlókkal szembeni rezisztenciáért felelős mutációk súlyosan csökkentik ennek a retrovírusnak a replikációs sebességét. A proteáz inhibitor hiányában történő passzázs során azonban ezeknek a rezisztenciamutációknak a fittségi terhelése csökkent, és a rezisztencia szintje nőtt. Az ezekhez a fitneszköltségekhez való alkalmazkodásért felelős kompenzációs mutációk a proteáz lókuszban történt további bázishelyettesítéseken keresztül történtek. Újabban B jörkman et al. (1998) azt találták, hogy a sztreptomicin-, nalidixsav- vagy rifampinrezisztencia kromoszómális mutációinak többsége csökkenti a virulenciát (növekedési sebességet és kompetitív teljesítményt). S. typhimurium laboratóriumi egerekben. Antibiotikumok hiányában egereken végzett egymást követő passzálások után a virulencia helyreállt. Az esetek többségében azonban a baktériumok rezisztensek maradtak az antibiotikummal szemben, és alkalmasságukat (virulenciájukat) növelték más lókuszok mutációi.

Mindkettő számára a E. coli rpsL és a HIV proteáz mutánsok, a kompenzációs evolúció, amely a rezisztencia költségeihez való alkalmazkodásért felelős, gyakorlatilag kizárja, hogy ezek a populációk visszatérjenek ősi, gyógyszerérzékeny állapotukba. Amikor a sztreptomicin-rezisztens rpsL az alléleket vad típusú, sztreptomicin-érzékenyek váltják fel rpsL + beépült, fitnesz kompenzált rpsL törzsek esetén a keletkező sztreptomicin-érzékeny baktériumok kevésbé alkalmasak, mint bármelyik vad típusú, nem kompenzált baktérium rpsL mutánsok vagy fitnesz-kompenzált rpsL mutánsok (S chrag et al. 1997). Másképpen fogalmazva, a kompenzációs evolúció olyan adaptív völgyet hoz létre, amelyet nehéz átjárni, és így kompenzálatlanul visszatér az ősi genotípushoz. rpsL + . Ez a helyzet a HIV proteáz inhibitor mutánsok esetében is. Ebben az esetben a vad típusú, gyógyszerérzékeny proteáz génhez való visszatéréshez a fitnesz-kompenzált rezisztencia allélokból több mutáció helyettesítésére lenne szükség, amelyek mindegyike szelektív hátrányba kerülne.

Ebben a cikkben az eredményeket mutatjuk be in vitro kísérletezik rpsL mutánsai E. coli valamint számítógépes szimulációk, amelyeket a kompenzációs evolúcióért és javulásért felelős genetikai és populációdinamikai folyamatok feltárására használnak (C ohan et al. 1994) baktériumpopulációkban. Az elsődleges kérdés, amellyel foglalkozunk, az, hogy miért, alacsony kondícióban rpsL tenyészetekben, a szelekció a közepes fittségű kompenzáló mutánsok felemelkedését eredményezi, nem pedig a magas alkalmasságot rpsL + revertánsok. Azzal érvelünk és bizonyítékokat mutatunk be, hogy ez a kompenzációs evolúció a reverziónál nagyobb arányban előforduló kompenzációs mutációk és a sorozatos passzázssal kapcsolatos szűk keresztmetszetek következménye. Röviden megvitatjuk ezeknek az eredményeknek a következményeit a gyógyszerrezisztencia problémáira, valamint a parazita mikroorganizmusok, elefántok és kisebb méretű eukarióták adaptív evolúciójának általános elméletére.


Csendes mutációs példák

A redundáns genom

A DNS-t három nukleotidból álló egységekben olvassuk le, ún kodonok. Minden kodon egy bizonyos aminosavat határoz meg, néhány pedig stop- és startjelként van fenntartva. Néha különböző kodonok ugyanazt az aminosavat határozzák meg. Ez a redundancia rugalmasságot tesz lehetővé a genetikai kódban. Ez azt jelenti, hogy a csendes mutáció általában teljesen észrevétlen marad. Az alábbi grafikonon egy tipikus csendes mutációt láthat.

Itt egy csendes mutációt hasonlítunk össze mindkét a ostobaság mutáció és a missense mutáció. A csendes mutáció, amely tényleges változás DNS-szinten a timin a citozin. Ezt a mutációt okozhatta a DNS-replikáció hibája, vagy valamilyen javítás, amely a DNS károsodása után történik. Ettől függetlenül mind a három nukleotid kodon megmondja a riboszóma és egy lizin aminosav rögzítésére szolgáló gépezet.

Ebben az esetben a fehérje teljes szerkezete változatlan marad, függetlenül a csendes mutációtól. Pontosan ugyanazzal az aminosav-szerkezettel a fehérje nem fog másképp működni, hacsak nem kerül más környezetbe. Csendes mutáció is előfordulhat fehérje szinten, és nincs funkcionális hatása a fehérjére.

Aminosav csoportok

A 4 nukleotid, három kodonból álló csoportokban, mind a 21 aminosavat hívhatja. Az alábbiakban az aminosavakat szerkezetük és oldalláncuk alapján csoportosítjuk. Ezek a tulajdonságok közvetlenül befolyásolják, hogyan lépnek kölcsönhatásba más aminosavakkal, és milyen hatást gyakorolnak a környezet molekuláira.

Számos aminosav kulcsfontosságú lehet egy fehérje teljes szerkezetében vagy funkciójában. Sok fehérje rendelkezik egy aktív oldal, amelyhez más molekuláknak kötődniük kell. Ez a hely aminosavak specifikus szekvenciájából épül fel. Ha helyesen hajtogatják össze, bizonyos aminosavak és oldalláncaik kizárólagos kölcsönhatásba léphetnek egy másik molekulával. Ha ezeket az aminosavakat egy mutáció megváltoztatja, a kötés funkcionalitása súlyosan károsodhat. Ez megváltoztathatja egy fehérje funkcióját vagy hasznosságát.

Más fehérjék a molekula belsejében összetett struktúrákkal rendelkeznek, amelyeknek jelen kell lenniük ahhoz, hogy specifikus funkciókat végezzenek. Sok fehérje átesik a konformációs változás, ami alakváltozás. Ezt elektromos stimuláció vagy egy molekula, például a koenzim vagy a szubsztrát a fehérjéhez. A konformációs változás, amely szó szerint megváltoztatja a fehérje alakját, összenyomhatja vagy széttépheti a molekulákat. A szolgáltatott energia a fehérje belső szerkezetétől és specifikus kötéseitől függ. Néha egyetlen aminosav is kulcsfontosságú lehet ennek. Ha ezt az aminosavat nem funkcionálisra cseréljük, a mutáció nem csendes mutáció. A fehérje belsejében bekövetkező változás a fehérje funkcionalitását is befolyásolhatja. Függetlenül attól, hogy egy csendes mutáció mit változtat, nem változtathatja meg a kapott fehérje funkcionalitását.

A nem kódoló DNS-en belül

A DNS számos részét szerkezetileg használják, és teljes céljuk nem ismert. Sok olyan eset van, amikor a DNS-részek nagymértékben különböznek az egyének között, de fenotípusaik azonosnak tűnnek. Ezek a változások, különösen a DNS kis szerkezeti változásai, addig nem válnak jelentőssé, amíg meg nem kezdik megváltoztatni a kódoló DNS és a környezet kölcsönhatását. Egy csendes mutáció könnyen előfordulhat ezeken a területeken, figyelmeztetés nélkül, de idővel sok mutáció elkezdheti megváltoztatni a populációt.

Érdekes módon a baktériumoknak általában egyetlen DNS-körük van, amely minden szükséges információt hordoz. Ezzel szemben az emberi genom több kromoszómán különül el, amelyeket speciális fehérjék kötnek össze és irányítanak, így a sejtosztódás során feltekerhetik őket. Az egyik hipotézis, hogy miként jött létre ez a sokkal összetettebb DNS, az volt, hogy bizonyos csendes mutációk elkezdtek DNS-struktúrákat kialakítani. Egy kompaktabb genomban több információ tárolható, ami az élet bonyolultságához vezethetett az egysejtű szervezetektől a bonyolultabb formákig. A DNS különböző részeinek hajtogatása és védelme a normális része sejtdifferenciálódás eukariótákban. Feltételezhető, hogy ezek csendes mutáció révén keletkezhettek, amíg hasznossá nem váltak és kiválasztásra nem kerültek.

1. A következő példák egyike egy csendes mutációt tartalmaz. Melyik?
A. A napozó elfelejti felkenni a fényvédő krémet. Számos bőrsejt DNS-e megsérül, és számos mutáció történik, amikor helyreállítják.
B. A kodon harmadik pontjában egy C mutálódik G-vé. Mindkét kodon treonin aminosavat igényel
C. Egy mutáció következtében egy enzimben megváltozott aminosav lelassítja azt.

2. Mi a különbség a nonszensz mutáció és a csendes mutáció között?
A. Semmi, mindkettő megváltoztatja a fehérje működését
B. Egy nonszensz mutáció nem okoz változást a fehérjében
C. A csendes mutáció nem tesz semmit, míg egy nonszensz mutáció jelentősen bomlasztó lehet

3. A fehérje belsejében egy mutáció az egyik aminosav felcserélődését okozza egy másikkal. Ez a változás nem befolyásolja a fehérje belső szerkezetét, és mindkét fehérje hasonlóan jár el a szerepében. Az alábbiak közül melyik jelképezi ezt a helyzetet?
A. Csendes mutáció
B. Pontmutáció
C. Missense mutáció


A valaha talált legrosszabb tömeges kihalás oka

Egy új tanulmány feltárja, mi okozta a legtöbb élet kihalását a Földön a perm végi kihalás, más néven nagy haldoklás során.

A perm-triász tömeges kihalás kezdetét bemutató illusztráció. 2020.

  • Egy új tanulmány azt állítja, hogy azonosítja a közel 252 millió évvel ezelőtt bekövetkezett nagy haldoklás okát.
  • A valaha volt legrosszabb tömeges kihalás során a Föld életének nagy része elpusztult.
  • A tanulmány azt sugallja, hogy egy szibériai vulkánkitörés aeroszolizált nikkelrészecskéket terjesztett el, amelyek károsították a bolygó élőlényeit.

A dinoszauruszok a 66 millió évvel ezelőtti tömeges kihalás leghírhedtebb áldozatai. De még ennél is súlyosabb kihalás történt 251,9 millió évvel ezelőtt.

A perm végi tömeges kihalásnak vagy nagy haldoklásnak nevezett kihalási esemény a bolygó tengeri fajainak körülbelül 90 százalékát és a szárazföldi fajok 75 százalékát kiirtotta. Míg a tudósok régóta gyanították, hogy a vulkánkitörések okozták a mai Szibéria területén, mindeddig nem tudták pontosan megmagyarázni, hogyan halt ki ennyi faj.

-ben jelent meg egy új tanulmány Nature Communications leírja azt az esetet, hogy a szibériai csapdák régiójában a kitörések következtében aeroszolossá vált nikkelrészecskék szétszóródtak a levegőben és a vízben, és okozták az ezt követő környezeti katasztrófát. A cikk a Tunguska-medencében található hatalmas norilszki nikkel-szulfid érctelepeket jelöl meg, amelyek "nagy nikkelben gazdag vulkáni gázt és aeroszolokat bocsáthattak a légkörbe" a tömeges kihaláshoz vezető eseménylánc kezdeteként.

A tanulmány azon nikkel izotópok elemzésén alapul, amelyek késő permi üledékes kőzetekből származtak, amelyeket a Buchanan-tó szakaszából gyűjtöttek össze a Sverdrup-medencében a kanadai magas sarkvidéken. A kőzetmintákban az a figyelemre méltó, hogy a valaha mért legkönnyebb nikkel-izotóp-arányt mutatták be, amiből a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a nikkel aeroszolos részecskék formájában vulkánból származik.

Amint azt a papír vázolja, az egyetlen összehasonlítható nikkelizotóp-értékek a vulkáni nikkel-szulfid lelőhelyekből származó értékek. A tudósok azt írják, hogy az ilyen értékeket eredményező mechanizmusok közül a "legmeggyőzőbb" magyarázat az, hogy "terjedelmes, Ni-ben gazdag aeroszolként" kerültek oda a Szibériai Csapdák nagy magmás tartományából (STLIP).

A nikkelrészecskék halálos hatása

Amikor a nikkel a vízbe került, pusztítást végzett a víz alatti ökoszisztémában.

A tanulmány társszerzője, Laura Wasylenki, a Northern Arizona University egyetemi docense kifejtette, hogy "a nikkel sok élőlény számára nélkülözhetetlen fémnyom, de a nikkel mennyiségének növekedése a metánt termelő mikroorganizmusok, a metanogének termelékenységének szokatlan megugrását eredményezte volna. A megnövekedett metán rendkívül káros lett volna minden oxigénfüggő életre." Ez hatással lett volna a vízben és a vízen kívüli élőlényekre. A professzor úgy véli, hogy adataik közvetlen bizonyítékot szolgáltatnak a nikkelben gazdag aeroszolok, az óceán változásai és az azt követő tömeges kihalás összefüggésére. "Most bizonyítékunk van egy konkrét ölési mechanizmusra" - tette hozzá.

A NAU egyetemi docense, Laura Wasylenki.Köszönet: Northern Arizona University.

Más elméletek a nagy haldoklásról

Korábbi tanulmányok a szibériai vulkánkitörések egyéb hatásaira is rámutattak, amelyek valószínűleg hozzájárultak a kihaláshoz, ideértve a bolygó általános felmelegedését, a mérgező fémek felszabadulását és az óceánok elsavasodását, amelyek valószínűleg számos fajt gyorsan elpusztítottak. Mások a víz kimerült oxigénszintje miatt haltak ki.

"Az egymással összefüggő életfenntartó ciklusok és folyamatok dominószerű összeomlása végül a tömeges kihalás katasztrofális mértékéhez vezetett a perm-triász határszakaszon" - mondta Hana Jurikova tengeri biogeokémikus, az Egyesült Királyság St. Andrews Egyetemének munkatársa. , aki 2020-ban tanulmányt végzett a perm végi kihalásról. Tanulmánya brachiopodákból származó fosszilis kagylókat vizsgált Olaszországban, a mai Déli-Alpokban.


Működik?

Ezekkel a forgatókönyvekkel több probléma is van. Először is, a mutációk valós idejű elemzése nem támasztja alá ezeket az állításokat. Például a P450 gének túlzott expressziója hozzájárul a DDT rovarokkal szembeni rezisztenciájához.5 Ez a túlzott expresszió olyan mutációk eredménye, amelyek csökkentik a szabályozási kontrollt. A baktériumok rezisztenssé válhatnak bizonyos típusú antibiotikumokkal szemben egy olyan mutációt követően, amely megszünteti a specifikus transzportfehérjéket.6 Az egerek a szőrszín védelmet nyújtó álcázását érhetik el, ha a mutáció csökkenti a termelődő szőrpigment mennyiségét.7 Specifikus fehérjék mutációs elvesztése az ember felszínén. A vérsejtek hozzájárulhatnak az AIDS8-mal és a maláriával szembeni rezisztenciához.9 A gyapottoklóféreg rezisztenciát szerez bizonyos rovarölő szerekkel szemben olyan mutációk révén, amelyek megakadályozzák a transzporter fehérje termelődését.10

Ezen mutációk mindegyike „előnyösnek” tekinthető a szervezet túlélése szempontjából. E mutációk mindegyikét általában az „evolúció” példájaként említik. Ezen mutációk mindegyike egy már meglévő genetikai rendszer rovására is megy (azaz az enzimek, transzportfehérjék, szabályozó faktorok stb. aktivitása csökken vagy megszűnik). Ezek mindegyike bemutatja, hogy a degeneratív mutációk gyakran „jótékony” változások következményei, amelyek éppen az ellenkezője az új gének kialakulásának.

Ezért pusztán azért, mert egy mutáció adaptív előnyökkel jár a szervezet számára, még nem jelenti azt, hogy új gén vagy szabályozórendszer jött létre (nagyon gyakori tévhit).

Sőt, a kísérleti adatok azt mutatják, hogy általában hét vagy több mutációra van szükség ahhoz, hogy egy fehérjét kódoló gént más fehérjét kódoló génné alakítsanak át.11 Számos szimulált becslés is azt mutatja, hogy ez valószínűleg több millió évbe telne akár néhány évre is. ezeknek a „génátalakító” mutációknak a populáción belüli előfordulása és rögzülése.12 A két helyzet együttesen nagy akadályt jelent a darwini evolúció számára. Egyszerűen nincs elég idő a szükséges géntranszformáció megvalósítására, még a hosszú történelmi időtáv miatt sem.

Az ajánlat a de novo a génképzés még kevésbé valószínű. Legjobb esetben is egy történelmi rekonstrukcióból nyerhető bizonyíték arra, hogy a gének a semmiből fognak kialakulni. Az ilyen rekonstrukciók darwini evolúciótörténetet feltételeznek, majd ezen a feltevésen alapuló értelmezést adnak. Például az embereknek és a csimpánzoknak állítólag közös őse van, de az embernek több mint 600 olyan génje lehet, amelyek nem találhatók meg a főemlősökben.13 Feltételezik, hogy ezek az emberi gének kialakultak. de novo kromoszómáink fel nem használt ("szemét"?) területeiről az elmúlt néhány millió évben, miközben más evolúciós utat jártunk be, mint a gorillák és a csimpánzok. Tehát minden olyan gén emberben, amely nem hasonlít a főemlősök génjéhez, a de novo keletkezését. Mivel valószínűleg minden organizmus tartalmaz számos ilyen árva gént (genomjuk 10–30%-át14), ezt az érvelést az egész biológiai világban alkalmazzák. Ha máshol nem találhatók hasonló gének, akkor nincs evolúciós vonal, és feltételezhető, hogy a gén a semmiből jött létre.15

A történelmi rekonstrukciók azonban csak annyira jók, mint a rekonstrukció feltételezései.

Mit csinál de novo új gén képződése? Ha legalább hét mutációra van szükség ahhoz, hogy egy funkcionális gént egy másik génné alakítsanak át, akkor sokkal több mutációra lenne szükség egy valódi evolúcióhoz. de novo gén. Az egyik probléma az, hogy minél több mutációra van szükség, annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy egyes mutációk károsak lesznek. Még nagyobb probléma, ahogy Jacob elismeri, „a működőképes [gén] megjelenésének valószínűsége de novo . . . gyakorlatilag nulla.”16 Valójában ez volt az értékelés (kísérleti igazolással17) sok évtizeden át, amíg be nem jött, hogy az evolúció nem tud számot adni az árva génekről anélkül, hogy erre a „gyakorlatilag nulla” eseményre támaszkodna.

Tehát a valószínűtlenség ellenére Abrusán ragaszkodik ahhoz, hogy „de novo a gének eredetét már nem kérdőjelezik meg.” Ez a következtetés nem megfigyelési adatokon, hanem evolúciós szükségszerűségen alapul. Az evolúció feltételezése annyira elterjedt a biológiában, hogy minden mást felülmúl, még akkor is, ha ez azt jelenti, hogy az eseményektől való függést „gyakorlatilag nulla” valószínűséggel. Egy megfigyelést kölcsönözve néhány gondolat annyira beépül a tudományos gondolkodásba, hogy „inkább vámpirikussá, mint empirikussá válnak – pusztán bizonyítékokkal nem ölhetők meg”.

Nem tudok olyan kísérletekről, amelyek azt mutatnák, hogy még hasonló gének összeillesztése is funkcionális terméket eredményez, nem beszélve a DNS véletlenszerű szekvenciáiról, amelyek természetesen mutációval funkcionális génné válnak. Számos gyakran idézett példa, a Sdic, Adh-finnegan, és Adh-twain génjei Drosophila, csak a már létező gének átrendeződései lehetnek, amelyeknek nincs egyértelműen azonosított funkciója – ami arra utal, hogy valójában inkább degeneratívak, mint innovatívak. Ezenkívül egy gén áthelyezése egy alternatív szabályozórendszerbe, egy csendes gén aktiválása vagy egy már meglévő gén horizontális átvitele nem jelenti új gén kialakulását. Az új gén-evolúció számos népszerű példája azonban egyszerűen magában foglalja ezeket a folyamatokat. A mai genetika természetesen kimutatta, hogy a kromoszómák egyes részei nagyon dinamikusak lehetnek, de ez azt jelenti, hogy de novo génképződés következhet be.

Olyan kifejezések, mint pl bütykölni és macskaköves össze gyakran megtalálhatók az evolúciós irodalomban de novo génevolúció. Ezek aligha mutatnak életképes mechanizmust a génképzéshez. A tipikus állati gének exonokat, intronokat, nyitott leolvasási kereteket, start- és stopszekvenciákat, határoló régiókat és szomszédos (sőt távoli) szabályozó régiókat tartalmaznak, amelyek szabályozzák a gén expresszióját – mindez koordinált genetikai funkciót biztosít. Így sokkal többre van szükség, mint a már létező gének darabjait „összekötni” ahhoz, hogy kijelentsük, a gén a semmiből jött létre. Nem csoda, hogy Singer elismeri, hogy „egy véletlenszerű DNS-szekvenciából létrehozni egy gént olyan valószínűnek tűnik, mintha egy tégely Scrabble-csempét a padlóra dobnánk, és azt várnánk, hogy a betűk egy koherens mondatot írnak ki.”19 De egyszerűen arra a következtetésre jut, hogy ennek valahogy meg kell történnie.

Amint megjegyeztük, a funkcionális gén más génné való transzformációjához szükséges idő felrobbantja az evolúciós időskálát. Az de novo Az új gének kialakulása ezt a problémát még nagyobb méretekre emeli. Az emberek például állítólag 4-6 millió év alatt fejlődtek ki főemlős ősből. Még a legbőkezűbb számítások szerint is ez az idő nem elegendő a de novo több száz emberi árva gén felépítése. Nyilvánvaló, hogy ez minden evolúciós forgatókönyv esetében jelentős problémát jelent – ​​egyszerűen nincs elég idő.

Ráadásul ez az időkorlát feltételezéseken alapuló számításokon alapul de novo kialakulása valóban megtörténhet. Ezzel szemben a valós idejű természetes mutációs vizsgálatok, amint azt fentebb tárgyaltuk, kevés kegyelmet adnak nekünk ehhez a feltételezéshez. Inkább a példa a másik után azt mutatja, hogy a „jótékony” mutációk még mindig degeneratívak. Az evolúciós feltevésen kívül nincs alapunk feltételezni, hogy a DNS véletlenszerű „szemét” szekvenciái bármi mássá is mutálódhatnak, mint a DNS véletlenszerű „szemét” szekvenciái. Még akkor is, ha már létező génekkel kezdjük, a kísérletek azt mutatják, hogy a véletlenszerű mutációk jellemzően csökkentik vagy megszüntetik az adott gén aktivitását vagy szabályozását. Ez az új génképzés ellentéte.

Valójában a genetikusok általában elismerik, hogy „a legtöbb aminosav-változtató mutáció káros”.20 Így az evolúciós feltételezések legjobb esetben is azokra a kivételesen ritka eseményekre támaszkodnak – egy fehérjeváltó mutációra, amely sem nem káros, sem nem degeneratív (még ha előnyös is). . Lehetséges, hogy előfordulnak ilyen mutációk, de kifejezetten ritkaságuk miatt rendkívül gyenge mechanizmusokká teszik Coyne darwini evolúcióval kapcsolatos nagy állításait.

A kevesebb több. E ritkaság fényében inkább a genetikai veszteséget javasolták az evolúció fő hajtóerejének. Ez a „kevesebb-több” modell felismeri, hogy a legtöbb „jótékony” mutáció mögött valójában a gének degenerációja (és nem képződése) áll.21 Az evolúciós átalakuláshoz (pl. az emberi evolúcióhoz) azonban olyan genetikai mechanizmusra van szükség, amely felelős a speciális mutációk eredetéért. jellemzők, mint például a látás, a megismerés, a kézügyesség és így tovább. A „kevesebb-több” mechanizmus nem tudja megmagyarázni azoknak a genetikai rendszereknek az eredetét, amelyeket végül megszüntet. Így azt feltételezi, hogy a korábbi mutációk építették fel a genetikai gépezetet, és más mutációk továbbra is építik (vagy újjáépítik) a gépezetet. Tehát ez a modell megköveteli azt, amit nem figyeltek meg – új gének létrehozását a semmiből, hogy elérjük a megfigyelteket –, hogy e gének elvesztését.

Illik a bibliai modellhez. Ehelyett a bizonyítékok egy bibliai teremtési modellbe illeszkednek, ahol az embereket, állatokat és növényeket teljesen működőképes genommal hozták létre. A kezdeti létrehozás óta a genomban bekövetkezett későbbi változások számos mutációt és egyéb változást vezettek be a DNS-ben. Ezek némelyike ​​még konkrét (és valószínűleg korlátozott) adaptív előnyt is nyújtott. Ezek az előnyök azonban degeneratív mutációkból fakadnak, nem pedig új gének kialakulásából.


Eredmények

Egyenleteink segítségével kiszámíthatjuk α várható értékétest, az adaptív evolúciónak tulajdonítható helyettesítések aránya, az α valódi értékének, a mintavételezett szekvenciák számának és a vágási gyakoriságnak a függvényében, amely a szekvenciák száma, beleértve és amely alatt figyelmen kívül hagyjuk a polimorfizmusokat (pl. 1-es vágási frekvencia esetén eltávolítjuk az összes szinglitont). A 2. és 3. ábrán a gamma- és PRG-eloszlások eredményeit mutatjuk be 2 α értékre.igaz, 0,25 és 0,5, ha 8, 32 vagy 128 szekvenciát vettek mintát, a fitneszhatások 4 különböző eloszlására, amelyek mindegyike dn/ds értéke 0,2. A lognormal és a PRLN használatával kapott eredmények minőségileg nagyon hasonlóak (az eredményeket nem mutatjuk be). Az eredmények olyan esetekben, amikor dn/ds kisebb vagy nagyobb, mint dn/ds = 0,2 szintén nagyon hasonlóak (az eredményeket nem mutatjuk be).

Az α várható becsült értéke egyoldalú gamma-eloszlás esetén különböző vágási frekvenciák esetén. A határfrekvencia a szekvenciák száma, beleértve és amely alatt a polimorfizmusok kizártak. Mindegyik grafikonon látható az α becsült alakparaméterekkel, felülről lefelé haladva: 0,125 (gyémántok), 0,25 (csillagok), 0,5 (négyzetek) és 1 (háromszögek), valamint a megfelelő értékek, amelyek megadják dn/ds = 0,2. A grafikonok bal oldali oszlopa α-ra vonatkozikigaz = 0,25 és a jobb oldali αigaz = 0,50. A grafikonok sorai 8, 32 és 128 sorozatból álló mintaméretekre vonatkoznak (fentről lefelé).

Az α várható becsült értéke egyoldalú gamma-eloszlás esetén különböző vágási frekvenciák esetén. A határfrekvencia a szekvenciák száma, beleértve és amely alatt a polimorfizmusok kizártak. Mindegyik grafikonon látható az α becsült alakparaméterekkel, felülről lefelé haladva, 0,125 (gyémántok), 0,25 (csillagok), 0,5 (négyzetek) és 1 (háromszögek) és a megfelelő értékek, amelyek megadják dn/ds = 0,2. A grafikonok bal oldali oszlopa α-ra vonatkozikigaz = 0,25 és a jobb oldali αigaz = 0,50. A grafikonok sorai 8, 32 és 128 sorozatból álló mintaméretekre vonatkoznak (fentről lefelé).

Az α várható becsült értéke a PRG eloszláshoz. A határfrekvencia a szekvenciák száma, beleértve és amely alatt a polimorfizmusok kizártak. Mindegyik grafikonon látható az α becsült alakparaméterekkel, felülről lefelé haladva, 0,125 (gyémántok), 0,25 (csillagok), 0,5 (négyzetek) és 1 (háromszögek) és a megfelelő értékek, amelyek megadják dn/ds = 0,2. A grafikonok bal oldali oszlopa α-ra vonatkozikigaz = 0,25 és a jobb oldali αigaz = 0,50. A grafikonok sorai 8, 32 és 128 sorozatból álló mintaméretekre vonatkoznak (fentről lefelé).

Az α várható becsült értéke a PRG eloszláshoz. A határfrekvencia a szekvenciák száma, beleértve és amely alatt a polimorfizmusok kizártak. Mindegyik grafikonon látható az α becsült alakparaméterekkel, felülről lefelé haladva, 0,125 (gyémántok), 0,25 (csillagok), 0,5 (négyzetek) és 1 (háromszögek) és a megfelelő értékek, amelyek megadják dn/ds = 0,2. A grafikonok bal oldali oszlopa α-ra vonatkozikigaz = 0,25 és a jobb oldali αigaz = 0,50. A grafikonok sorai 8, 32 és 128 sorozatból álló mintaméretekre vonatkoznak (fentről lefelé).

Számos minta látható. Ahogy az várható volt, az alacsony frekvenciájú polimorfizmusok eltávolítása az MK-analízisből az α becslését a valódi érték felé növeli. Az α becsült értéke azonban csak akkor közelíti meg a valódi értéket, ha az adaptív evolúció valós szintje viszonylag magas (pl. αigaz = 0,5) vagy a fitneszhatások eloszlása ​​nagyon leptokurtikus (β kicsi). Ennek 2 kapcsolódó következménye van. Először is, az α becslése mindig alulbecsült, és ez az alulbecslés nagy lehet, ha az adaptív evolúció ritka és/vagy a fitneszhatások eloszlása ​​viszonylag platikurtikus. Másodszor, előfordulhat, hogy nincs bizonyíték az adaptív evolúcióra még akkor sem, ha jelentős adaptív evolúció történt. evolúció. Például akkor sem észlelnénk adaptív evolúciót, ha az összes szubsztitúció 25%-a adaptív evolúciónak köszönhető, ha β ≥ 0,5. Az eloszlás körtózisa befolyásolja az α alulbecslésének mértékét, mivel több leptokurtikus eloszlásban kisebb a polimorfizmusok aránya, amelyek enyhén károsak.

Bár az α becslése a határfrekvencia növekedésével tovább növekszik, úgy tűnik, hogy ennek az eljárásnak a legtöbb előnye a 15% alatti polimorfizmusok eltávolításával érhető el. Ezért ez hasznos ökölszabálynak tekinthető a valós adatkészletek elemzéséhez.

Meglepő módon úgy tűnik, hogy az α becsült értéke csak gyengén függ a mintavételezett szekvenciák számától. Tehát több szekvencia mintavétele csak eggyel több erőt ad az adaptív evolúció észleléséhez, annyiban, hogy több polimorfizmust észlelünk. Általában gyümölcsözőbb a DNS hosszabb szakaszainak szekvenálása, mint több azonos szekvencia szekvenciája.


Nem működik?

A kutatók azt is megvizsgálták, hogy a sugárzás hatással van-e az állatok viselkedésére. A koffeint vagy más kábítószert kapott pókok köztudottan elveszítik képességüket geometriailag tökéletes háló létrehozására.Timothy Mousseau, a Dél-Karolinai Egyetem munkatársa kamerával rögzítette a csernobili pókok hálóit, hogy elemezze, vajon a radioaktivitás hatással lehet-e rájuk hasonló módon.

Csernobil: A vadon élő állatok utolérik a pusztaságot?


Bevezetés

Az izolált populációk genetikai különbségeket halmoznak fel. Ezek a különbségek csökkenthetik a hibridek alkalmasságát, ami jelentős lépést jelent az új fajok keletkezésében [1, 2]. Léteznek azonban fontos kivételek: számos példa van a közelmúltban szétvált populációkra, amelyek hibridjei valójában jobban illeszkednek, mint bármelyik szülő [3–8]. A létező faji genetikai elméletek nem adnak egységes magyarázatot a heterózis és a hibrid inkompatibilitás ellentmondásosnak tűnő megfigyelésére.

A hibrid alkalmasság hanyatlása általában a Dobzhansky-Muller inkompatibilitásnak vagy „DMI-nek” tulajdonítható [9–12]. Ezek negatív episztatikus kölcsönhatások, amelyek a hibridekben először összehozott allélek között lépnek fel. A DMI-k a faji genetikai empirikus és elméleti tanulmányok fő fókuszpontját képezik [13–15]. A DMI-k matematikai modelljei [16, 17] tesztelhető előrejelzéseket hoztak létre a hibrid életképtelenség alakulásáról [16, 18], a kölcsönös keresztezések aszimmetrikus életképtelenségéről [19] és a hibrid alkalmasság nemi különbségeiről [20] (lásd [21]). ). Bár ezeket az előrejelzéseket általában empirikus tanulmányok támasztják alá [2], e modellek többségének négy korlátja van. Először is csak a káros génkölcsönhatásokat veszik figyelembe, így nem tudják megmagyarázni a heterózist. Másodszor, sok korábbi speciációs modell nem veszi figyelembe azt a mechanizmust, amellyel a mutációk rögzülnek, amikor két faj eltér egymástól. A helyettesítésekről általában azt feltételezik, hogy véletlenszerűen fordulnak elő időben, anélkül, hogy kifejezetten figyelembe vennék a szelekció és a sodródás szerepét. Az, hogy ezek a mutációk hogyan rögzülnek, fontos következményekkel járhat a hibrid alkalmasságra. Harmadszor, bár a DMI evolúciós modelljei figyelembe veszik a hibridekben először összerakott gének közötti új kölcsönhatások hatásait, figyelmen kívül hagyják a szülői fajon belül kialakult előnyös génkölcsönhatások megzavarásának hatásait. Végül, a korábbi modellek feltételezik, hogy a hibridekben lévő összes génpár közötti kölcsönhatás egyformán valószínű, míg a valódi génkölcsönhatási hálózatok erősen strukturáltak [22]. A modellek új hulláma kezdett megkérdőjelezni néhány ilyen feltevést [23–27]. Itt egy általánosabb modellt dolgozunk ki, amely enyhíti mind a négy feltevést.

Egyes legújabb modellek félretették a DMI keretrendszert a hibrid alkalmasság magyarázata érdekében a Fisher-féle geometriai modell kiterjesztései segítségével [27–30]. Az ilyen modellekben a mutációk közvetlen hatással vannak a fenotípusokra, és az alkalmasság függ a tulajdonságok egy (vagy néhány) optimális kombinációjától való távolságtól. Ennek a megközelítésnek az a vonzereje, hogy a hibrid fitnesz könnyen megjósolható a szülői alkalmasságra vonatkozó feltételezések alapján, és meglepően jól képes illeszkedni az empirikus adatokhoz [28]. Ez a keretrendszer magyarázhatja a heterózist az uniparentálisan öröklődő elemek [27] vagy a szülők alacsony edzettségének eredményeként [28]. Ennek ellenére a megközelítésnek vannak korlátai. A heterózisra vonatkozó előrejelzések csak korlátozott dominanciájú feltételezések mellett konzisztensek a specifikációval [28]. Ennél is fontosabb, hogy ezek a modellek erősen korlátozó feltételezéseket tesznek a genotípus és a fenotípus közötti kapcsolatról és a fitnesz táj alakjáról.

Itt egy keretrendszert dolgozunk ki annak modellezésére, hogy a hibrid fitnesz hogyan fejlődik a mutációk egyéni és episztatikus fitneszhatásainak eredményeként. A korábbi DMI modellektől eltérően pozitív és negatív episztatikus fitneszhatásokat is lehetővé teszünk, amint az 1. ábrán sematikusan látható. Explicit módon modellezzük a helyettesítési folyamatot is. Ezek az előrelépések számos új fogalmi meglátáshoz vezetnek.Attól függően, hogy a mutációk hogyan rögzülnek, és fittségi kölcsönhatásuk spektruma, a hibrid alkalmasság magasabb, alacsonyabb vagy egyenlő lehet a szülőfajéval. Azt találtuk, hogy a hibrid fitnesz az episztatikus kölcsönhatások két osztályától függ. Az első, amely a korábbi DMI-modellek középpontjában állt, a hibridizáció által létrehozott új kölcsönhatások (az 1. ábra felső fele). A második, amelyet általában figyelmen kívül hagynak, a két szülőfajban jelen lévő génkölcsönhatások, amelyek a hibridekben megszakadtak (1. ábra alsó fele).

A szülők P1 és P2 keresztezve hibrid F előállításához1 utódok. Minden egyed két lókuszt (kört és négyzetet) hordoz. Az ősi allél fehér, és a származtatott mutációk, amelyek a két szülőfajban rögzültek, árnyékosak. Ha minden fajban egy mutáció rögzül (felső panelek), a negatív episztázis csökkent hibrid alkalmasságot okoz (bal felső), míg a pozitív episztázis heterózist okoz (jobb felső). Ha az egyik fajban két mutáció rögzül, a másikban egy sem (alsó panelek), mind a negatív episztázis, mind a pozitív episztázis miatt a hibrid közepesen alkalmas. Az episztázis dominanciájától függően a hibrid fittség magasabb vagy alacsonyabb lehet a szülők átlagánál.

Leegyszerűsített feltételek mellett ez a keret több elemzési eredményhez vezet, amelyek mind a heterózist, mind a hibrid inkompatibilitást megmagyarázhatják. Kibővítjük a keretet egy sztochasztikus modellel, amely lehetővé teszi a mutációk hatásainak változását, és figyelembe veszi annak valószínűségét, hogy egy mutáció rögzül egy szülői fajban, tekintettel annak alkalmassági hatásaira. Ezután paraméterezzük a modellt az élesztő rendszerbiológiában végzett legújabb vizsgálatok adataival. 10 277 egyedi egyedi mutáns és 20 712 321 kettős mutáns fitnesz mérését használjuk a refs. [22, 31, 32] a rögzítési valószínűségek és a hibrid alkalmasság kiszámításához. Az eredmény a posztzigotikus izoláció evolúciójának első modellje, amely a fitnesz hatások empirikus becslésein alapul.

Azt tapasztaljuk, hogy a heterózis néha előfordul, néha nem. Amikor előfordul, az mindig átmeneti, és a specifikációs folyamat korai szakaszában történik. Heterózis akkor jelentkezhet, ha a szülőfajon belüli episztatikus kölcsönhatások károsak, és ezek megzavarása F1 hibridek alkalmasabbak, mint szüleik (1. ábra, bal alsó). Ez az eset akkor lehetséges, ha a sodródás erős, és a káros kölcsönhatásokkal járó mutációk ugyanabban a populációban rögzülnek. Másrészt, ha a szülőn belüli episztatikus interakciók előnyösek, akkor F1 a hibridek még akkor is gyengébbek lehetnek, ha nincsenek káros DMI-k (1. ábra, jobbra lent). A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a hibrid alkalmasság hanyatlása főként sok kis hatású génkölcsönhatás eredménye, ami arra utal, hogy a genetikai inkompatibilitások feltérképezése gyakran nehéz lesz. Azt találtuk, hogy a szülői fajokban az együtt adaptált allélkészletek megzavarása gyakran fontosabb az F meghatározásához.1 mint a hibridekben előforduló új negatív kölcsönhatások. Tanulmányunk azt sugallja, hogy az episztatikus hálózatok szerkezetének megértése döntő előfeltétele lehet a hibrid alkalmasság előrejelzésének.


Az evolúció, ökológia és viselkedés alapelvei

1. fejezet Bevezetés [00:00:00]

Stephen Stearns professzor: Oké, ma a genetikai változatok eredetéről és fenntartásáról fogunk beszélni, és ez folytatja a mikroevolúció mechanizmusainak központi témáiról szóló vitánkat. Ez azért érdekel bennünket, mert a természetes szelekcióra nem lehet reagálni, és nem lehet semmilyen előzményt sodródással feljegyezni, hacsak nincs genetikai változatosság a populációban. Tehát meg kell értenünk, honnan, honnan származik, és hogy megmarad-e vagy sem.

Ha úgy történik, hogy minden alkalommal, amikor egy új mutáció felbukkan, azonnal megszűnik, akár véletlenszerű, akár szelektív okokból, akkor az evolúció nem következhet be. Ha sok változatosság jönne be a populációba, és azután rendkívül hosszú ideig fennállna mindenféle válogatás nélkül, olyan mintákat látnánk a föld színén, amelyek teljesen eltérnek attól, amit ma látunk. Tehát ezek a kérdések valójában központi kérdések az evolúciós genetika alapvető részében, amely megváltoztatja az evolúciót.

Tehát a kontextus alapvetően ez. Mivel az evolúció a genetikai változáson alapul, tudnunk kell, honnan származnak a genetikai különbségek, és az evolúció sebessége a populációban elérhető genetikai variáció mennyiségétől függ, ezért tudnunk kell, hogy mi tartja fenn a variációt. Ha ötven-hatvan évet akarunk visszamenni, amit ma úgy gondolunk, mint a klasszikus nézetet – ne felejtsük el, hogy a klasszikus nézet egy mozgó ablak az időben – akkoriban azt hitték, nincs túl sok genetikai variáció. és hogy az evolúciót valójában a genetikai variáció létrejöttének sebessége korlátozta.

1965 óta, a fehérje izoenzimek felfedezése óta, és különösen most, mióta felfedezték a DNS nagyon olcsó szekvenálásának módjait, tudjuk, hogy ez nem igaz. Óriási mennyiségű genetikai variáció van a természetben, és ma reggel megmutatok néhányat. Körülbelül 1975 és 1980 óta, egy sor tanulmánynak köszönhetően, amelyek egy része a galápagosi pintyeken, néhány a trinidadi guppikon, néhány a hawaii szúnyoghalon, néhány pedig a világ halpopulációin reagált. ha halásznak, tudjuk, hogy az evolúció nagyon gyors lehet, ha erős szelekció hat a nagy populációkra, amelyek sok genetikai variációval rendelkeznek.

Tehát valóban az evolúció üteme és például az éghajlatváltozás és a globális felmelegedés kérdése, a Föld összes faja képes lesz elég gyorsan alkalmazkodni ahhoz, hogy kitartson a bolygón zajló antropogén változások mellett?&# 8211Ezzel a kérdéssel közvetlenül foglalkoznak azok a dolgok, amelyekről ma reggel beszélünk.

Ha nincs elég genetikai változás ahhoz, hogy mondjuk a világ füves populációit vagy a hegyekben élő lényeket alkalmazkodjanak azokhoz az éghajlati változásokhoz, amelyekkel szembesülni fognak, és amelyekkel jelenleg is találkoznak, akkor’ kihalni. Vagy olyan helyre kell költözniük, mint ahol vannak, vagy alkalmazkodniuk kell a megváltozott körülményekhez, amelyekkel szembesülnek.

Tehát a mai előadás vázlata alapvetően ez. A mutációk a végső eredete minden genetikai variációnak. A rekombináció óriási hatással van a variációra. Tehát ez alapvetően azt jelenti, hogy a szexuális populációk sokkal változékonyabbak lehetnek, mint az aszexuális populációk. A természetes populációkban sok a genetikai változatosság. Ezután négy olyan mechanizmuson megyünk keresztül, amelyek képesek fenntartani az egyes gének variációit, és röviden megemlítjük a mennyiségi tulajdonságok variációinak fenntartását.

Tehát a mutációkból származnak ezek a genetikai különbségek, és ezek lehetnek a DNS-szekvencia változásai vagy a kromoszómák változásai, a kromoszómákban pedig a kromoszómák számának változásai lehetnek kromoszómák formájában vagy a kromoszómaszerkezet szempontjaiban. . Tehát előfordulhatnak génduplikációk és így tovább. A legtöbb természetesen előforduló mutáció olyan mutáció, amely a DNS-replikáció során fordul elő.

Azok számára, akik azon gondolkodnak, hogy orvosok legyenek, ez azért fontos, mert a rák kialakulásának valószínűsége egy szövetben egyenesen arányos a sejtek osztódásának számával az adott szövetben, ezért a hámsejtek rákos megbetegedései sokkal gyakoribbak, mint nem osztódó sejtek rákos megbetegedései. Soha nem kap rákos megbetegedéseket a szívizomban, és gyakran kap rákos megbetegedéseket a bőrén, a tüdejében és a bélnyálkahártyájában, és ez azért van, mert minden mitotikus esemény potenciális mutációs esemény.

2. fejezet: Mutációs ráta [00:05:32]

A DNS-szekvencia mutációk fajtái pontmutációk, lehetnek duplikációk, és a kromoszómákban is előfordulhatnak inverziók és áthelyezések, amelyek folytatódnak. A gének egyik kromoszómáról a másikra mozgathatók. Valójában megfordíthatók úgy, hogy az ellenkező olvasási irányban, a kromoszóma mentén legyenek. Mindezek a dolgok zajlanak.

Jó okunk van azt gondolni, hogy a közepes mutációs ráta az optimális. Ha a mutációs ráta túl alacsony, akkor a gén leszármazottai nem tudnak alkalmazkodni a megváltozott körülményekhez. Ha túl magas, akkor az összes felhalmozódott információ arról, hogy mi működött a múltban, megsemmisül egy mutációval, ami azokkal a pszeudogénekkel történik, amelyek nem expresszálódnak. Valószínűleg valami köztes arány az optimális.

Most egy gén, amely szabályozza a mutációs rátát, sokkal könnyebben fejlődik egy ivartalan szervezetben, mint egy ivaros fajban, mivel a szexuális rekombináció szétválasztja a gént a folyamat előnyeiért. Hadd illusztráljam ezt.

Tegyük fel, hogy részt veszek egy folyamatban, amit Greg irányítani akar, és van egy bizonyos időnk, ami alatt megtehetjük, és ezért úgy dönt, hogy velem együtt, egy buszon megy. New Yorkba. Lemegyünk a buszpályaudvarra, és a rekombináció miatt ő felszáll az egyik buszra, én pedig egy másikra. Elveszíti a lehetőségét, hogy irányítson, egyszerűen azért, mert most egy másik buszon ülök.

Ez a rekombináció hatása a génekre. A rekombináció ahelyett, hogy ugyanazon a kromoszómán tartana, amelyen Greg és én is, valójában egy másik testbe kerül. Oké? Tehát egy szexuális szervezetben a mutációs rátát szabályozó gén elválik azoktól a génektől, amelyek mutációit esetleg megpróbálja irányítani, és ezért bár New York-i utam során kitalálok valami nagyszerű folyamatot, amely Greg javára válna. most elszakadt tőle, és nem részesül az adaptációimból.

Tehát sokkal valószínűbb, hogy olyan géneket fogunk látni, amelyek szabályozzák a mutációs rátát olyan szervezetekben, mint a baktériumok és vírusok, mint az, hogy olyan mutációkat látunk, amelyek a mutációs rátát szabályozzák bennünk. Van némi okunk azt gondolni, hogy gyenge a szelekció rajtuk, de ez nem olyan erős, mint a baktériumokban. Valójában érdekes módon a baktériumokban kísérleti evolúciót végezhet, és megmutathatja, hogy a mutációs ráta felfelé vagy lefelé fog fejlődni, attól függően, hogy milyen körülmények közé helyezi a baktériumokat.

Ezek néhány reprezentatív mutációs ráta, és jó, ha rendelkezünk valamilyen általános kerettel, hogy átgondoljuk, milyen gyakori a mutáció? Tehát az RNS-ben a nukleotidonkénti mutációs ráta körülbelül 10-5 a DNS-ben 10-9. Tehát ha elkezdesz fejlődni egy RNS-világban, és csökkenteni akarod a mutációs rátát, mert az információid erodálódnak, és valahogy sikerül a DNS-t molekulaként megtervezni RNS helyett, akkor láthatod, hogy képes leszel felvenni. négy nagyságrenddel így. Ez csak azért van, mert a DNS stabilabb.

A DNS egy rendkívül stabil molekula. Lehetséges a DNS kinyerése a fosszilis csontokból. Svante Paabo a Neander-völgyi ember genomjának szekvenálására irányuló projekt kellős közepén van. Már kapott jelentős darabokat a neandervölgyi sorozatból. Tehát a DNS csak egy figyelemreméltóan stabil molekula. A DNS mutációinak aránya génenként körülbelül egy a millióhoz, tehát ez a meiózishoz hasonló. A tulajdonságonkénti mutációs ráta körülbelül 10-3 és 10-5 között van. Az arány prokarióta genomonként körülbelül 10 -3, eukarióta genomonként pedig 0,1 és 10 között van.

Egyszer láttam egy igazán nagyszerű beszédet egy Drake nevű sráctól, Frank Drake-től, az NIH-tól–ez olyan volt, mint egy nagy nemzetközi találkozón–Drake odamegy a táblához, és 10 -3-at ír a táblára, amit majd adni fog. beszéljünk a prokarióták mutációs rátáiról. 45 percig beszél erről a számról, nem PowerPointokról, semmi másról, csak nagyon élénken beszél arról, hogy úgy tűnik, hogy szinte az összes vírus és baktérium nagyjából ehhez a generációnkénti mutációs rátához konvergált genomonként, ami elég szép. szilárd bizonyíték arra, hogy ez az optimális arány több ezer faj közeledik ehhez az arányhoz.

És megkérdeztem tőle, hogy volt az, hogy ezt a nagyszerű előadást dia nélkül tartotta, és azt mondta, hogy elvesztette őket a repülőgépben, és ez már vagy tízszer megtörtént, és ez olyan nagyszerű előadás volt dia nélkül, hogy ő most vált át teljesen. Tehát néhány évvel ezelőtt, tulajdonképpen a múlt év elején ezen a tanfolyamon, megpróbáltam előadásokat tartani a PowerPointok nélkül. Az osztály 90 százalékának nem tetszett, az osztály tíz százalékának pedig igen. Ezért kap még mindig PowerPointokat. Oké?

Most mennyi a mutációs ráta? Nos, mindegyikőtökben van körülbelül négy olyan mutáció, amelyek az Önök új dolgaiban, a szüleitekben nem voltak, és ezek közül körülbelül 1,6 káros. Szóval ez olyan dolog, ami mindig történik. És körülbelül 100-an vagyunk a teremben, ami azt jelenti, hogy körülbelül 150 új, káros mutáció ül itt az osztályteremben, egyedülálló ebben a generációban.

Hol történtek? Nos, férfiaknál ötvenszer többször fordultak elő, mint nőknél. És ennek jó biológiai okai vannak. Sokkal több sejtosztódás van a zigóta kialakulása és a spermium termelése között, mint a zigóta kialakulása és a petesejt termelése között. Az emberi fejlődésben és az emlősök fejlődésében a tojástermelés nagyjából leáll az embrionális fejlődés harmadik hónapjában, amikor is ebben a szobában az összes nőnek körülbelül hétmillió petesejtje volt a petefészkében.

Azóta az oocita atresia, ami a petesejtek megölését jelenti, közel hétmillióval csökkentette a petefészkekben lévő peték számát. Amikor elkezdett menstruálni, körülbelül 1500 petesejt volt a petefészkeiben. Hétmillióról 1500-ra csökkent. Amikor megszülettél, hétmillióról egymillióra csökkent, és hatmilliót veszítettél el, mielőtt még megszülettél. Úgy tűnik, hogy ez egy minőség-ellenőrző mechanizmus, amely biztosítja, hogy a túlélő petesejtek genetikailag valóban jó állapotban legyenek.

Tehát nagyon-nagyon különböző biológiák befolyásolják a petetermelést, és a nőstény spermiumok olyan mutációs szűréssel rendelkeznek, mint a hímek. Nos, ennek az az eredménye, hogy több mutáció van az idősebb férfiak spermájában, akik hosszabb ideig éltek. Bárki, aki szeretne részt venni a párválasztásban, és hogy ebből az egyszerű tényből milyen szaporodási stratégiák születhetnek, szívesen írnak erről egy tanulmányt a kint található szakirodalomban. Oké? Nem túl PC, de nagyon biológiai.

3. fejezet. Rekombináció [00:13:57]

Oké, rekombináció. Mit tesz a rekombináció ezzel a mutációs variációval, amely a populációkban felhalmozódik? Tegyük fel, hogy tíz génünk van, és mindegyik génnek két allélja van, és mindegyik más kromoszómán található. Ez azt jelentené, hogy ha csak azt a tíz gént nézzük, azon a tíz kromoszómán, 310 különböző zigótát kaphatunk. Valaki meg tudja mondani miért?

Diák: [Nem hallható]

Stephen Stearns professzor: Hány genotípusa van az első génnek? Hány különböző Aa kombináció létezik? Három: AA, Aa, aa. Tehát három dolog van, amire az első gén képes. A második gén három dologra képes. A harmadik gén három dologra képes. És tíz gén van. Tehát megszorozzuk őket, hogy megkapjuk a különböző kombinációk számát, és ha egymástól függetlenül válogatnak a különböző kromoszómákon, az 59 000 különböző zigótát eredményez.

Ha lenne egy valódi eukarióta genomunk, amelynek szabad rekombinációja van, de nincs, és korlátlan átlépésünk van, akkor a lehetséges zigóták száma körülbelül 3 15, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 azt a nagyságrendet. Nos, az univerzum alapvető részecskéinek száma mindössze 10 131. Olyan számokról beszélünk, amelyek felfoghatatlanul nagyok. Ez azt jelenti, hogy az evolúció teljes folyamata során a benned rejlő genetikai lehetőségek száma soha nem valósult meg. A genetikai tér hatalmas része feltáratlan marad, egyszerűen azért, mert a bolygón nem volt elég idő ahhoz, hogy ennyi organizmus éljen.

Nos, hogyan láthatja, hogy ez szabad rekombináció lenne a kromoszómák független választékával. Ez könnyebbé teszi, mintha átlépne, mivel az átkelés gyakrabban történik, minél távolabb vannak egymástól a kromoszómán lévő gének, és ez nem történik meg túl gyakran, ha közel vannak egymáshoz. Tehát sok faj kromoszómaszámának alakulása történt.

És korábban már meséltem az ascarisról. Az Ascaris egy fonalféreg, amely gerincesek bélrendszerében él. Van egy ascaris, amely a kutyákban él, van egy ascaris, amely bennünk él, és csak egy kromoszómája van. Tehát ez egy határ, egy kromoszómával rendelkező dolgok. Vannak fajok, amelyeknek több száz kromoszómája van. A cukornádnak körülbelül 110 kromoszómája van, valami ilyesmi.

Tehát maga a faj kromoszómaszáma is fejlődik, és meglehetősen dinamikusan tud fejlődni. Valójában egyetlen fajon belül vannak olyan populációk, amelyek kromoszómaszáma eltér az adott fajon belüli többi populációtól, és amikor e két populáció egyedei találkoznak és párosodnak egymással, az utódok gyakran fejlődési nehézségekbe ütköznek a kromoszómaszámbeli különbség miatt. . Ilyen ellentét van a házi egerekben Dániában. Van egy hely, ahol egyfajta hibrid zóna van Dániában, és a hibrid zóna egyik oldalán lévő házi egereknek nehézségei vannak, ugyanahhoz a fajhoz tartoznak, de csak más a kromoszómaszámuk. nehezen bánnak a házi egerekkel a hibrid zóna másik oldalán.

Úgy tűnik, hogy a kromoszómaszámbeli különbség a házi egerekben a legutóbbi eljegesedés során keletkezett, és ezek különböző helyekről telepedtek vissza Észak-Európába. Néhányan Spanyolországból jöttek fel. Néhányan Görögországból érkeztek. Dániában összejöttek, és problémákba ütköztek.

Oké, most az átkelés is sok genetikai sokféleséget generál. Az átkelés mértéke pedig állítható. Az inverziók blokkolják az átkelést. Fogsz egy darab kromoszómát, és megfordítod, így a kromoszóma közepén a génszekvenciák megfordulnak, és a kromoszóma azon szakaszában az inverzió mechanikai nehézségeket okoz. Valójában megváltoztatja a kromoszómák alakját, amikor egymás mellett sorakoznak, és gátolja az átkelést a meiózis során.

Ez az egyik módja annak, hogy vegyünk egy csomó gént, amelyek történetesen valóban hasznos kölcsönhatásban vannak egymással, és egy kombinációba zárjuk őket, hogy ne rekombinálódjanak. Ez megtörtént, és például jó néhány rovar evolúciójában fontosnak tartják.

Most játszhatjuk azt a mentális játékot, hogy feltesszük magunknak a kérdést, hogy mi történne egy szexuális populációban, ha egyszerűen leállítanánk a mutációt? Valójában ezt természetesen nem tudjuk megtenni. De mennyi időbe telne, mielőtt észrevennénk, hogy az evolúció leállt, ha csak azt figyeljük, hogy milyen ütemben fejlődik ez a népesség?

És a válasz erre elég érdekes. Varázspálcával lengethetnénk egy közepesen nagy szexuális populáción, teljesen leállíthatnánk a mutációt, és a rekombináció hatása a populáció állandó genetikai sokféleségére annyi új, változatos génkombinációt hozna létre, hogy körülbelül 1000 generációba telne. még azt is észrevegye, hogy a mutáció leállt.

Tehát gondolj vissza az előadás elejére. Azt mondtam, hogy a mutáció az összes genetikai sokféleség eredete, és ez igaz. De miután a mutáció és az evolúció már egy ideje zajlik, akkora genetikai sokféleség halmozódik fel a populációkban, hogy ténylegesen le lehet zárni a mutációt és a mutációt, és az evolúció még egy ideig folytatódni fog. 1000 generáció után kifogy a gőzből, és leáll, de ez elég ideig tart.

4. fejezet Genetikai variáció az emberekben [00:20:43]

Oké, hogy honnan jött a genetikai variáció és mennyi volt a genetikai variáció, az óriási kérdés volt, és rengeteg kutatást és vitát váltott ki körülbelül ötven éven keresztül. 1965 előtt létezett a vad típus fogalma. 1965 után volt egy igazán jó genom, aztán volt néhány mutáció.

1965 után, az elektroforézis, Clement Markert munkája, valamint Dick Lewontin és kollégája, Hubby hatására felismertük, hogy sok a molekuláris eltérés. Ez az elképzelés, hogy minden fajnak van egy bizonyos genomi típusa, már nem tartható. Nagyon sok különböző genom létezik. 1995 óta sok DNS-szekvenciánk változott, most pedig genomika van.

Tehát a genomika hatását szeretném szemléltetni valamivel, ami az elmúlt négy évben vált lehetségessé. A HapMap Project az emberi genom szekvenálása után készült, és a motiváció az volt, hogy megpróbálják a betegségeket közös genetikai variánsokkal társítani. Mellesleg, ennek az erőfeszítésnek az eredménye az, hogy a gének általában nem sok, általában a variáció két-három százalékát teszik ki, de ez egy másik történet.

Tehát alapvetően amint megvolt az emberi genom, egyértelmű volt, hogy utána olyan helyeket kereshetünk a genomokban, amelyek egyetlen nukleotidot tartalmaznak, amelyek különbözőek, egy-egy személy között ezeket egyetlen nukleotid polimorfizmusoknak nevezzük. Ennek érdekében a HapMap Project az emberi genom körülbelül 10 500 kilobájt hosszúságú régióit vizsgálta 269 egyed esetében. Ez tehát 10 500 000 bázis 269 személy mindegyikére. És tették ezt Nigériából, Utahból, Pekingből és Tokióból. És rájöttek, hogy a genomunk blokkokban van elrendezve.

Minden blokkon belül, mondjuk ritkán rekombináló DNS-szakaszon belül körülbelül 30-70 egynukleotidos polimorfizmus található, és ez azt jelenti, hogy megtervezhet egy genechipet, hogy ezekből annyit vegyen fel, hogy egy személyt megcímkézzen. amelynek az a bizonyos DNS-blokkja van. Oké? Tehát most vannak ezek a genechipek, és felfedeztük, hogy vannak olyan SNP-k, amelyek betegségekhez kapcsolódnak. Láthatjuk, hogy a genomnak vannak olyan részei, amelyek a legutóbbi szelekció jeleit mutatják. Érdekes irodalom ez.

Így néz ki a 19-es kromoszómánk egy kis része. Oké? Tehát ez a helyzet a kromoszóma mentén, 40 000 000-től kezdve és egészen 50 000 000 bázispárig. A kis fekete pontok mind a gének, amelyek a kromoszóma ezen szakaszában találhatók, és az egynukleotidos polimorfizmusok segítségével azonosíthatja az embereket, hogy olyan DNS-szegmenssel rendelkeznek, amely nem túl gyakran rekombinálódik. És észre fogod venni, hogy valójában olyan helyeken vannak sorakozva, ahol a rekombinációs ráta meglehetősen magas. Tehát itt láthatja a töréseket ezen a felső diagramon, amelyek olyan helyeket mutatnak, ahol a rekombinációs arány meglehetősen magas.

Tehát ne feledje, ez a teljes genomban, mind a 23 kromoszómánkban történt. Itt csak egy kromoszóma egy apró részét mutatom meg, és valójában 650 000 ilyen blokk található a genomunkban.

Tehát három évvel később egy csoport kimegy, 928 embert vesz 51 populációból, és megvizsgálja, mekkora a haplotípus sokfélesége. Ne feledje, a haplotípus egy olyan blokk, amelyen bizonyos nukleotid-polimorfizmusok találhatók. Az Y tengelyen 650 000 bejegyzés található. Természetesen mindegyik keveredik, nehéz őket látni. Az X tengelyen 928 ember van elrendezve. Ez egy minta az emberi genetikai sokféleségről a bolygón. Elég sokat láthatsz ott’. Különböző színeket láthat. Oké?

Ha ezt vesszük, és a filogenetikai elemzés eszközeivel megkérdezzük, milyen történelmi struktúra van ebben az adathalmazban, akkor ezt kapjuk. Kapsz egy csoportot Afrikában. Láthatja az emberiség felbukkanását Afrikából––ez úgy gondolja, hogy ez körülbelül 100 000 évvel ezelőtt történt–, és akkor nagyon-nagyon szép genetikai nyomot kap a világra kiterjedő terjeszkedésünkről.

Megálltunk egy kicsit a Közel-Keleten, mielőtt kitörtünk. Körülbelül 50 000 évvel ezelőttig a Közel-Keleten voltunk, aztán volt egy csoport, amely bement Európába, majd más csoportok kiváltak onnan, és elindultak Ázsiába. És körülbelül 40 000 évvel ezelőtt az emberek Pápua Új-Guineába és Ausztráliába mentek, és valószínűleg valahol, mondjuk 15 és 20 000 évvel ezelőtt, egy embercsoport elindult a Bering-ágon át Észak-Amerika felé, hogy őslakossá váljanak, majd egy másik csoport. változatos Kelet-Ázsiában. A genetikai változatosság történetében tehát hatalmas mennyiségű információ található.

5. fejezet A genetikai variáció fenntartása [00:26:52]

Tehát most szeretném elmondani négy általános okot, hogy miért tartható fenn ez a sok genetikai variáció bármely populációban. Ha belenéz a tankönyvbe, látni fogja, hogy gyakorlatilag minden faj vadon élő populációiban óriási a genetikai változatosság, csakúgy, mint az emberekben. Emberben történetesen jobban elemezhető, mint szinte bármely más fajnál. De valami ilyesmit meg lehet tenni a Föld bármely fajával, és ez egyre olcsóbb és olcsóbb.

Tehát a szelekció és a sodródás egyaránt megmagyarázhatja a genetikai változatosság fenntartását. Az evolúciós genetikán belül pedig sokáig harc folyt arról, hogy amit láttunk, azt a szelekció vagy a sodródás magyarázza-e. Úgy tűnik, ez nem egy produktív kérdés. Rendkívül nehéz minden konkrét esetben megválaszolni, hogy a látható minta a természetes szelekció története vagy a sodródás története miatt van-e. Mindkettő képes jó néhány mintát generálni, és ezek a minták átfedik egymást.

Tehát ha egy nagyon konkrét esetet veszünk és részletesen tanulmányozunk, akkor vezető szerepet tulajdoníthatunk a kiválasztásnak vagy a sodródásnak. Például egy emberi kromoszóma egy részében találhat szelekciós jelet, ami azt jelzi, hogy ott van egy gén, amelyet esetleg egy meghatározott betegség befolyásolt, amelyet elvégeztek. De az általános válasz a bolygó összes fajára vonatkozóan, hogy a szelekció vagy a sodródás a fontosabb, valószínűleg irreális. Valószínűleg nem gyümölcsöző kutatási erőfeszítés erre a kérdésre válaszolni.

Tehát itt vannak azok a helyzetek, amelyek elvileg fenntarthatják a genetikai variációt, ezek közül négy van. Létezhet egyensúly a mutáció és a sodródás között, egyensúly a mutáció és a szelekció között, előfordulhat heterózis vagy túlzott dominancia, és lehet negatív frekvenciafüggés. Tehát most át fogom lépni ezeken, és átéreztem, hogyan működik a gondolkodás mindegyiken. Ennek során egyensúlyokkal fogunk foglalkozni, és valóban vannak más módszerek is az elemzés megközelítésére, de az egyensúlyi megközelítés az, amely lehetővé teszi egyszerű algebrával, nem pedig bonyolult számítógépes modellekkel. A matematikai kényelem érdekében csináljuk.

Azért is tesszük ezt, mert azok az időszakok, amelyek során a dolgok egyensúlyban vannak, meglehetősen hosszúak lehetnek, összehasonlítva azokkal, amelyekben dinamikusan változnak, és ez az evolúció üzenetének tűnik, de tekintettel arra, hogy a dolgok egyensúlyban vannak, genetikai változatosság, valójában nem tudunk túl sokat ezekről az időszakokról. A szelekció oda-vissza mozoghat, a populációk stagnálónak tűnhetnek, amikor a dolgok zajlanak bennük. Ez a kérdés valóban megválaszolatlan.

Tudjuk, hogy az immungénjeink tekintetében bizonyos polimorfizmusok osztoznak a csimpánzokkal. Úgy tűnik, ezek olyan dolgok, amelyek a betegségekkel szembeni rezisztencia szempontjából az emberek és a csimpánzok megszületése előtt alakultak ki, körülbelül 5-6 millió évvel ezelőtt. Tehát bizonyosan ez a genetikai variáció öt-hat millió éves. Nem túl sok olyan esetünk van, ahol ezt tudnánk, de lehet, hogy még sok más is van, csak még fel nem fedezett.

Egy kis terminológia. Egy mutáció rögzítési valószínűsége annak a valószínűsége, hogy elterjed és rögzül a populációban. Ez egyenlő a frekvenciájával, bármely időpontban. A rögzítési idő az, hogy mennyi ideig tart a rögzülés generációkon keresztül. És ezeket az ötleteket korábban feltettem a táblára, és szeretnék visszatérni ehhez, mert szeretném, ha egy percen belül hivatkoznának rá.

Tehát ha ez itt a frekvencia, akkor az Y tengelyen 0-tól 1-ig mehet, és ha itt az idő, akkor ez sok ezer generáció lehet. És a legtöbb semleges allél sorsa, amikor bekerülnek a populációba, az lesz, hogy egy ideig megnövekszik a gyakoriság, majd kisodródnak. Kicsi annak a valószínűsége, hogy rögzítik őket, mert amikor először keletkeztek, nagyon ritkák, és a végleges rögzítés valószínűsége pontosan megegyezik a gyakoriságukkal. Tehát egy nagy populációban a legtöbb mutáció eltűnik. De időnként az ember átsodródik, és amikor eléri az 1.0-s frekvenciát, ez megoldódik. Oké?

Tehát a rögzítési valószínűség annak a valószínűsége, hogy az összes előforduló mutáció közül, amelyek többsége elsodródik, ez rögzítésre kerül, és ez kevés. A rögzítési idő pedig, hogy mennyi ideig tart a rögzítés, átlagosan az, hogy mennyi ideig tart ez a folyamat. Tehát ennyi a rögzítési idő, és ez sok ilyen esemény átlaga. Tehát ennek a képnek, amit a táblán nézel, valójában csak egy idéző ​​képnek kell lennie, nem pedig valamiféle pontos, konkrét állapotnak. Mivel sok-sok különböző gént képvisel, a genom minden lehetséges helyén előfordulnak.

Nos, egy semleges allél esetében, mint amilyet ott vázoltam, a rögzítési arány éppen egyenlő a mutációs rátával. Ez nem a populáció méretétől függ. A rögzítés valószínűsége, mint mondtam, megegyezik az aktuális frekvenciával. Egy új mutációért az egyik ilyen fickó itt lent, rögtön az elején, ami 1/2N, javítandó, és 1-1/2N elveszik. Ez azt jelenti, hogy a legtöbbjük elveszett. N a populáció mérete. N egy nagy szám.

Mivel a génnek 2N kópiája van a populációban, és ha mu mutációs ráta, ez azt jelenti, hogy minden generációban 2 mu új mutáció van, és mindegyiknél 1/2N a rögzítés valószínűsége. Tehát az új mutációk rögzítésének sebessége körülbelül 2 mu-szer 1/2N, ami megegyezik a mutációs rátával. Ez génenként körülbelül 10-5-10-6, ami azt jelenti, hogy a molekuláris óra semleges génenként 100 000-1 000 000 generációnként egyszer ketyeg.

A rögzítési sebesség nem függ a populáció méretétől, és ez azért van így, mert a mutáció bekövetkezésének valószínűsége egy populációban attól függ, hogy hány organizmus van benne. Elképzelhető, hogy az összes genomjuk egy háló, amelyet a mutációk elkapására kiterítettek – minél nagyobb a háló, annál több a mutáció az adott generációban, és ez pontosan kompenzálja azt a tényt, hogy tovább tart a javítani. Minél nagyobb a népesség, annál tovább tart ez a folyamat. De minél nagyobb a népesség, annál többen jutnak el a rögzítésig. Ez a két dolog pontosan kompenzálja. Oké?

Egy kis populációban a legtöbbjük elveszett. Azok a kevesek, amelyek elérik a rögzítést, gyorsan elérik, és nagy populációkban több új mutáció rögzül, de mindegyik lassabban. Ezek a dolgok kompenzálják, és a rögzítési arány nem függ a populáció méretétől, ha a teljes genomot nézi. A teljes genomban rögzített különbségek száma nem a populáció méretétől függ.

Jelenleg az evolúciós genetikában van egy technikai koncepció, az úgynevezett effektív populációméret, ez pedig egy időben nem változó véletlenszerű párosodási populáció mérete, amelynek genetikai dinamikája megegyezne a szóban forgó valódi populációéval. És így tudjuk, hogy sok a megsértése ezeknek a feltételezéseknek. Oké? A populációk nem párosodnak véletlenszerűen. Időben változnak ta-da ta-da. Hogyan vegyünk egy valós populációt, majd alakítsuk át olyasmivé, amit nagyon könnyű kiszámítani?

Nos, erre vannak módszerek. Azok a tényezők, amelyeket figyelembe kell venni, a család méretének változása, a beltenyésztés, a populáció méretének változása és az egyes szaporodó nemek számának változása. És csak azért, hogy ezek közül az egyiket illusztráljuk, hogy némi képet adjunk a hatásáról, nézzük meg az észak-amerikai szarvasmarhákat.

Észak-Amerikában körülbelül 100 000 000 nőstény szarvasmarha él. Átlagosan négy hím termékenyíti meg őket mesterséges megtermékenyítéssel. Tehát négy bika van, amely 100 000 000 tehenet termékenyít meg. Genetikailag nézve mekkora a népesség? 16 körül van. Oké? Tehát azáltal, hogy az egyik nemet nagyon kis számra korlátozzuk, korlátoztunk egy utat, amelyen a gének átjuthatnak a következő generációhoz. És azáltal, hogy a férfi oldalt ilyen kicsinyítettük, torzítottuk annak a valószínűségét, hogy egy gén valamilyen ilyen folyamat szerint rögzül.

Ez a férfi oldal nagyon kis népesség. Tehát ez teljesen felülmúlja azt a tényt, hogy 100 000 000 nőstény van ott. Mert ha belegondolunk, minden alkalommal, amikor a gének egyike átmegy egy nőstényen, csecsemőbe kerül, és felnő a következő nemzedék, akkor a népesség férfi oldalán keresztül fog visszamenni, igaz?– átmenni a generációkon. És ezek a kifejlesztett képletek lehetőséget adnak arra, hogy megragadjuk ezt a bonyolult helyzetet, és gyorsan, hasznosan kiszámítsuk, hogyan számíthatunk genetikai sodródásra a szarvasmarháknál Észak-Amerikában. Alapvetően kis létszámúak.

Tehát ez a mutáció-drift egyensúly alapja. Egy populációban a genetikai variáció mértéke, mutáció-sodródás egyensúlyban, csak egy pillanatkép a rajta áthaladó génekről. Ha visszatérnék ehhez a diagramhoz, és több gént kellene beletennem ebbe a folyamatba, és megkérném, hogy menjen ki és vegyen mintát egy populációból bármikor, akkor a mintát venné. az idő, és azt mondanád, hogy hány génünk van, és hány gén mozog. Oké?

A genetikai variációt fenntartó mechanizmus második lehetősége a mutáció és a szelekció közötti egyensúly. A mutáció behozza a dolgokat a populációba. A kiválasztás kiveszi őket. Tehát ha haploid populációnk van, N egyedből, és mu mutációs rátával rendelkezünk, akkor minden generációban Nmu új mutációt kapunk. A kulcsgondolat az, hogy ha van egy mutáció szelekciós egyensúly, akkor a bemenő szám megegyezik a kilépő számmal, ami ezt a mechanizmust tartaná egyensúlyban a populáció genetikai variációi között.

Tehát ha a mutáns egyedek alacsonyabb alkalmassággal rendelkeznek, mint a nem mutánsok, és ha q a mutánsok gyakorisága, akkor a szelekció az NSq mutánsok generációnkénti eltávolítását jelenti. És egyensúlyi állapotban, amikor a bejövő szám egyenlő a kimenő számmal, a bejövő szám egyenlő a kilépő számmal, és ez megadja a mutációs ráta egyensúlyi gyakoriságát osztva a szelekciós együtthatóval. Ez egy nagyon egyszerű eredmény.

És ha ugyanezt a fajta gondolkodást alkalmazzuk egy diploid populációra, akkor azt kapjuk, hogy az egyensúlyi gyakoriság a mutációs ráta négyzetgyöke, osztva a recesszívek szelekciójával, és ugyanaz, mint a haploidok esetében a dominancia tekintetében. Oké? Tehát van erre néhány példa.

Vannak ritka emberi genetikai betegségek, mint például a fenilketonúria, amely a fenilalanin metabolizmusának képtelenségét jelenti. Gyakorisága körülbelül 1: 200 000, a kaukázusiak és a kínaiak körében. Valószínűleg szelekciós mutációs egyensúlyban van. Alacsony gyakorisággal fordul elő, de egy populációban jelen van. Az ezzel járó emberek szelektív hátrányt szenvednek. Folyamatosan mutálódik és visszatér, és folyamatosan kiválogatják. Az eredmény az egyensúly, oké, és ez elég ritka.

A harmadik mechanizmus, amely fenntartja a szelekciót a természetes populációkban, a szelektív erők egyensúlya, vagyis ahol a heterozigóta jobb, mint bármelyik homozigóta. És van egy klasszikus, híres eset, és mindig ebben a kontextusban beszélték meg, és érdekes, hogy ez az, amiről mindig ebben a kontextusban beszéltek, és a válasz az, hogy nehéz volt megtalálni. több. [nevet] Oké? Ez a sarlósejtes vérszegénység.

Most ez a normál heterozigóta, amely fogékony a maláriára. A heterozigóta ellenáll a maláriának, a sarlósejtes homozigóta vérszegény és beteg. És beállítja ezt a fajta relatív alkalmasságot. Valójában az if–H itt valójában negatív szám lesz. Oké? Tehát a heterozigóta alkalmassága magasabb lesz, mint bármelyik homozigóta alkalmassága. És ezután beállíthatja, hogy az egyensúlyi frekvencia az legyen, ahol P prím egyenlő p-vel, más szóval, a következő generáció frekvenciája pontosan ugyanaz, mint ebben a generációban.

Milyen gyakorisággal történik ez? Nos, ez akkor történik, amikor ezek a kis egyenletek teljesülnek. És az az érdekes, ha megnézzük őket, hogy kiesett belőlük a kiválasztási együttható. Az egyensúlyi gyakoriság nem a szelekciós nyomástól függ, hanem attól, hogy a gén milyen gyakran expresszálódik heterozigótában. Tehát ez nagyon függ a heterozigóta előnyétől.

Most a valós helyzet ennél bonyolultabb. Számos ilyen sarló allél létezik. Változtatják a frekvenciát.Az egyensúlyi feltevés nem igazán érvényes odakint a Természetben, de egy durva hüvelykujjszabályt ad arra vonatkozóan, hogy mennyire számíthatunk, és amint a sarlósejtes vérszegénységben szenvedő emberek elköltöznek a maláriás területekről, elég időbe telik. hogy az az allél eltűnjön a populációból.

A negyedik mechanizmus a szelekciós erők egyensúlya, így például az A2 esetében, amikor A2 értéke 0, itt magas a fittsége, és a gyakoriság növekedésével a fitnesz ezen egyenlet szerint csökken. Most az A1 frekvenciái éppen megfordulnak ezen a tengelyen. Az A1 itt 1.0, itt pedig 0. Az A1 alacsony frekvenciával rendelkezik, alacsony az alkalmassága, ha magas frekvencián, és magas az alacsony frekvencián. Az A2 magas edzettséggel rendelkezik alacsony frekvencián alacsony fitnesz magas frekvencián. Tehát mindkettő jobban teljesít, ha ritka. És úgy gondolom, hogy ebből a diagramból intuitív módon láthatja, hogy egyensúlyi állapotuk esetén abbahagyják a változást, ha az edzettségük teljesen megegyezik.

Most van néhány érdekes példa erre a fajta dologra. Az egyik Ronald Fisher klasszikus érve arról, hogy miért olyan gyakoriak az 50:50-es ivararányok, miért látunk sok populációban fele-fele arányban nőstényeket és félig hímeket. Érdekesek az ettől való eltérések. Ez a fajta dolog megtörténik az evolúciós stabil stratégiákkal, és ezek a megoldások számos problémára az evolúciós játékelméletben. Ezeket bizonyos körülmények között Nash-egyensúlynak is nevezik, és fontosak a közgazdaságtanban és a politikatudományban is.

És úgy gondolják, hogy az immunrendszer óriási genetikai változatossága a gyakoriságtól függő szelekció miatt létezik. Az alapvetően patogénrezisztens gének akkor nyernek előnyt, ha ritkák, mert amikor gyakoriak, a kórokozók rájuk fejlődnek. Többé-kevésbé ülő kacsák, stabil evolúciós célpontok.

De ahogy egyre gyakoribbá válnak, és egyre több kórokozó fejlődik rajtuk, és ezek a szervezetek egyre betegebbek lesznek, a ritkáknak van előnyük. Aztán ahogy elkezdenek növekedni a gyakoriságuk, ugyanaz a folyamat megy végbe, ugyanaz a folyamat folytatódik újra, és egy idő után több száz gént kapsz, amelyek mindegyike előnyös alacsony frekvencián, és egyik sem előnyös magasan frekvencia.

Tehát ez egy nagyon fontos mechanizmus, amely fenntartja a genetikai változatosságot a természetes populációkban, beleértve a sajátunkat is. Ha a mennyiségi jellemzőket nézzük, mint például a születési súly, itt van egy klasszikus példa. Ez az Egyesült Államokban az 1950-es és 1960-as években született csecsemőkre vonatkozik, és ez a százalékos halálozási arány a különböző súlyú babáknál. Láthatja, hogy van egy stabilizáló szelekció, amely úgy működik, hogy stabilizálja a születési súlyt körülbelül 7 kilónál, és vannak eltérések körülötte. És felmerülhet benned a kérdés, hogy miért van eltérés ebben? Miért nem minden babának az optimális születési súlya? Ez nagyon fontos dolog. És erre valóban két válasz adható.

Az egyik az, hogy evolúciós érdekkonfliktusok vannak anya és csecsemő, valamint apa és anya között azzal kapcsolatban, hogy mennyit kell befektetni a csecsemőbe, és ezek bizonyos eltérésekhez vezetnek. És ott van a mutáció szelekciós egyensúlya. Tehát ez egy olyan tulajdonság, amelyet valószínűleg több száz gén határoz meg, és ezeknél a géneknél mutációk jönnek be a populációba, és mindegyik génnél van egy mutáció szelekciós egyensúly, és ha ezt összeadjuk, akkor több száz. a gének, elég sokféle variációt kapunk. Természetesen ezen eltérések egy része az anya étrendjében és a terhesség alatti fiziológiás állapotának más részeiben fellépő környezeti változások fejlődési hatásainak is köszönhető.

6. fejezet Következtetés [00:47:03]

Tehát összefoglalva. A genetikai változatosság eredete és fenntartása kulcskérdés a mutációk eredete. A rekombinációnak óriási hatása van. A természetes populációkban óriási a genetikai változatosság. Ne feledje, hogy a HapMap Project adatai rólunk, emberekről, és az összes különbségre, amelyek egyetlen nukleotid polimorfizmusában vannak a melletted ülő személytől, és hogyan osztja meg ezeket azokkal az emberekkel, akiknek azóta hasonló története van. kijöttünk Afrikából.

Ennek a változatosságnak a fenntartását különféle mechanizmusokkal magyarázhatjuk, elsősorban a mutáció és a sodródás, a mutáció és a szelekció közötti egyensúly érdekében, és valamilyen egyensúlyozó szelekcióval, akár heterózissal, akár frekvenciafüggő szelekcióval. És úgy gondoljuk, hogy sok mennyiségi jellemző – az emberi születési súly, az emberi testméret, a sportteljesítmény és sok más dolog – eltérését valószínűleg a mutációs szelekciós egyensúly, valamint más tényezők tartják fenn. Tehát legközelebb a fejlődésnek az evolúcióban betöltött szerepéről fogok beszélni.


Felügyeleti rendszer

Az egyik leghalálosabb ellenség, amellyel a modern embereknek meg kellett küzdeniük, amikor új területekre merészkedtek, egyben a legkisebbek is – olyan új fertőző betegségek, amelyek ellen nem volt immunitásuk. „A kórokozók az egyik legerősebb szelektív erő” – mondta Janet Kelso, a lipcsei Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet bioinformatikusa.

Az év elején Kelso és munkatársai egy nagy – 143 000 DNS-bázispár hosszúságú – Neander-völgyi DNS-szakaszt azonosítottak, amely kulcsszerepet játszhatott a modern ember betegségekkel szembeni leküzdésében. A régió három különböző gént ölel fel, amelyek a veleszületett immunrendszer részét képezik, egy molekuláris megfigyelőrendszernek, amely a kórokozók elleni első védelmi vonalat alkotja. Ezek a gének vámszerű receptoroknak nevezett fehérjéket termelnek, amelyek segítenek az immunsejteknek felismerni az idegen betolakodókat, és támadásra késztetik az immunrendszert.

A modern embernek több változata is lehet ennek a DNS-szakasznak. De úgy tűnik, hogy a változatok közül legalább három archaikus emberektől származik – kettő a neandervölgyiektől és egy a deniszovóiaktól. Annak kiderítésére, hogy ezek a változatok mire képesek, Kelso csapata olyan nyilvános adatbázisokat kutat át, amelyek genomikai és egészségügyi adatok halmazát tartalmazták. Azt találták, hogy a neandervölgyi változatok valamelyikét hordozó emberek kisebb valószínűséggel fertőződnek meg H. pylori, egy mikroba, amely fekélyeket okoz, de nagyobb valószínűséggel szenved az olyan gyakori allergiáktól, mint a szénanátha.

Kelso úgy véli, hogy ez a változat növelhette a korai emberek különböző baktériumokkal szembeni rezisztenciáját. Ez segített volna a modern embereknek, amikor új területeket gyarmatosítottak. Ennek a további ellenállásnak azonban ára volt. „A kompromisszum egy érzékenyebb immunrendszer volt, amely érzékenyebb volt a nem patogén allergénekre” – mondta Kelso. De óvatosan rámutatott, hogy ez csak egy elmélet. "Ebben a pillanatban sokat feltételezhetünk, de nem tudjuk pontosan, hogyan működik ez."

A modern genomban található Neander-völgyi és Denisovan gének többsége titokzatosabb. A tudósoknak csak halvány fogalmuk van arról, hogy ezek a gének mit csinálnak, nem beszélve arról, hogy a neandervölgyi vagy a deniszovói változat hogyan segíthetett őseinknek. „Fontos, hogy jobban megértsük ezeknek a géneknek a biológiáját, hogy megértsük, milyen szelektív nyomások okozták a mai populációkban tapasztalható változásokat” – mondta Akey.

Számos, például Kelsóéhoz hasonló tanulmány folyik, amelyek megpróbálják a kortárs emberben gyakran előforduló neandervölgyi és deniszovói variánsokat olyan sajátosságokkal összekapcsolni, mint a testzsír eloszlás, az anyagcsere vagy más tényezők. Az egyik tanulmány nagyjából 28 000 európai származású embert vizsgált, és megjelent Tudomány februárban az archaikus génváltozatokat az elektronikus egészségügyi nyilvántartások adataival párosította. Összességében a neandervölgyi variánsok a neurológiai és pszichiátriai rendellenességek magasabb kockázatához, valamint az emésztési problémák alacsonyabb kockázatához kapcsolódnak. (A tanulmány nem az adaptív DNS-re összpontosított, így nem világos, hogy a szelekció jeleit mutató archaikus DNS-szegmensek hogyan hatnak ránk ma.)

Jelenleg az ilyen vizsgálatokhoz rendelkezésre álló adatok nagy része az orvosi problémákra irányul – a legtöbb ilyen adatbázist úgy alakították ki, hogy olyan betegségekhez kapcsolódó géneket találjanak, mint a cukorbetegség vagy a skizofrénia. Néhányan azonban, például az Egyesült Királyság Biobankja, sokkal szélesebbek, és információkat tárolnak a résztvevők látásáról, kognitív teszteredményeiről, mentális egészségi állapotáról, tüdőkapacitásáról és fittségéről. A közvetlen fogyasztói genetikai cégeknek is nagy, változatos adatkészletei vannak. A 23andMe például elemzi a felhasználók genetikáját a származással, az egészségügyi kockázatokkal és más, néha bizarr tulajdonságokkal kapcsolatos nyomok után kutatva, mint például, hogy édesszájúak-e vagy egy szemöldökük van-e.

Természetesen nem minden DNS volt jó, amit a neandervölgyiektől és a deniszovóiaktól kaptunk. A többség valószínűleg káros volt. Valójában általában kevesebb a neandervölgyi DNS-ünk a gének közelében, ami arra utal, hogy a természetes szelekció idővel kigyomlálta. A kutatókat nagyon érdeklik genomunk ezen részei, ahol az archaikus DNS feltűnően hiányzik. "Vannak igazán nagy helyek a genomban, ahol amennyire látjuk, nem neandervölgyi vagy deniszovói ősök - valamilyen folyamat megtisztítja az archaikus anyagot ezekről a régiókról" - mondta Sankararaman. "Talán funkcionálisan fontosak a modern ember számára."



Hozzászólások:

  1. Leary

    a láz téveszmékei, amelyek

  2. Lovell

    Milyen szavakra van szükség ... nagyszerű, a mondat kiváló

  3. Galeel

    És határozatlan ideig nem messze :)

  4. Desta

    Sajnálom, gondoltam, és töröltem az ügyet

  5. Leslie

    And what would we do without your very good idea



Írj egy üzenetet