Мутации и отбор

Мутации – ошибки репликации. Неизбежность мутаций. Одна из причин, по которой невозможно полностью избавиться от мутаций – "экономическая" (повышать до бесконечности уровень точности репликации - слишком "дорого"). К этому нужно добавить, что, скорее всего, полная остановка мутагенеза и не была бы поддержана отбором, даже если в результате мутации вдруг возникла бы абсолютно безошибочная и при этом "дешевая" система репликации и репарации (репарация – исправление ошибок в ДНК).

Для подтверждения этого тезиса рассмотрим один весьма поучительный пример – исследование, проведенное итальянскими и американскими биологами в 2006 году. Исследование проводилось на вирусах полиомелита. Большинство вирусов, вызывающих болезни человека, — РНК-содержащие. Их наследственный материал хранится в форме РНК (а не ДНК, как у всех высших форм жизни). Среди немногочисленных белков, закодированных в геноме таких вирусов, присутствует фермент РНК-полимераза, синтезирующий новые копии вирусной РНК.

Популяции РНК-содержащих вирусов неоднородны: они состоят из целого набора генетически различающихся линий. Процесс удвоения (репликации) вирусной РНК происходит с большим числом ошибок (мутаций), благодаря чему могут быстро возникать новые варианты вируса. У полиовируса на каждый акт репликации приходится в среднем 1,9 мутаций. При этом, конечно, появляется много нежизнеспособных вариантов, однако эти потери оправданы, поскольку высокая скорость мутирования помогает вирусам приспосабливаться к меняющимся условиям, в том числе к деятельности иммунной системы хозяина, новым лекарствам, переходам от одного хозяина к другому и из ткани в ткань.

Авторы обсуждаемой работы предположили, что дело здесь не ограничивается поиском оптимального для данной ситуации варианта генома. Возможно, возникающие вариации вирусов могут помогать друг другу за счет разделения функций. Например, в одной линии может возникнуть мутация, повышающая скорость репликации вирусной РНК, в другой линии — другая мутация, повышающая, например, эффективность самосборки белковых молекул в вирусную оболочку — капсид. Поскольку обе линии живут и размножаются в одной и той же хозяйской клетке, они могут пользоваться «достижениями» друг друга: эффективная РНК-полимераза первой линии будет размножать и геномы второй, а более эффективные капсидные белки второй линии будут «упаковывать» и РНК первой. Не исключено, кстати, что совместить обе эти мутации в одном и том же геноме просто невозможно. Вирусный геном очень мал, и у него не так уж много степеней свободы (вариантов мутаций, совместимых с жизнью).

Возможность экспериментальной проверки гипотезы о взаимопомощи среди вирусов появилась благодаря тому, что удалось обнаружить и выделить мутантную форму полиовируса со «сверхточной» РНК-полимеразой, совершающей очень мало ошибок при копировании РНК. Эта мутация (состоящая в замене глицина серином в 64-ой позиции РНК-полимеразы) возникла и закрепилась в ходе адаптации вируса к препарату рибавирину, резко повышающему (за пределы допустимого) скорость мутирования вирусов. В отсутствии рибавирина такие вирусы мутируют с аномально низкой частотой (0,3 мутации на геном вместо положенных 1,9).

Первым делом ученые проверили, действительно ли скорость мутирования важна для приспособляемости вирусов. Это подтвердилось: вирусы-мутанты с замедленным мутагенезом приспосабливались к неблагоприятным условиям (лекарствам) гораздо медленнее своих «диких» собратьев. Кроме того, эти мутанты оказались неспособны проникать в спинной и головной мозг зараженных мышей, как это делают нормальные полиовирусы. Однако искусственное увеличение темпа мутагенеза (при помощи вышеупомянутого рибавирина) привело к тому, что жизнеспособность вирусов полностью восстановилась.

Более того, удалось показать, что общая «эффективность» популяции вирусов зависит не от наличия в ней какой-то одной особо удачной линии, а от кооперативного взаимодействия нескольких разных линий, обладателей разных мутаций, которые помогают друг другу. Например, оказалось, что вирусы, сами по себе не способные проникать в мозг, успешно проникают туда в компании с некоторыми другими вирусами, носителями других мутаций. Следовательно, одни линии вирусов помогают другим преодолеть гематоэнцефалический барьер.

Этот эксперименты подтвердил гипотезу о взаимовыгодной кооперации между разнообразными мутантами, составляющими вирусную популяцию.

Поучительность этого исследования для нас состоит в том, что оно позволяет обосновать следующие два положения:

1) Некоторые организмы потенциально вполне способны в ходе эволюции выработать более точную систему репликации и уменьшить темп мутагенеза,

2) Однако они этого не делают (отбор не поддерживает такие изменения), потому что низкий темп мутагенеза снижает жизнеспособность всего сообщества организмов, находящихся в кооперативных отношениях друг с другом.

----------------------------------------------------

Так или иначе, мутагенез с той или иной скоростью идет постоянно, при каждой репликации и между актами репликации тоже. Это то, с чем всем живым существам приходится считаться. Это одно из обстоятельств, к которым они обязаны приспосабливаться. Для любой популяции живых организмов всегда существует риск погибнуть под грузом вредных мутаций (потому что вредные мутации возникают намного чаще, чем полезные). Кто не может защититься от этой опасности, тот погибает.

Главная защита, впрочем, дана всем живым существам изначально и присутствует «по умолчанию». Эта защита – естественный отбор. Те организмы, у которых в ДНК много вредных мутаций, погибают первыми и не передают свои гены потомству. Такой отбор называют «очищающим» или «негативным». Он отбраковывает носителей вредных мутаций и тем самым очищает генофонд. А еще бывает «позитивный» отбор, он поддерживает полезные мутации.

В тезисной форме:

· Мутации неизбежны.

· Вредные мутации, как правило, возникают намного чаще, чем полезные.

· Поэтому любая популяция находится под угрозой генетического вырождения.

· Главная защита от этой угрозы – естественный отбор.

· Отбор, отбраковывающий вредные мутации, называется очищающим или отрицательным (негативным).

· Отбор, поддерживающий полезные мутации, называется положительным (позитивным).

Судьба популяции во многом зависит от того, насколько часто возникают мутации, то есть от скорости мутагенеза, и от того, насколько быстро очищающий отбор отбраковывает вредные мутации. Если вредные мутации возникают быстрее, чем очищающий отбор успевает их отбраковывать, происходит вырождение, и в конце концов популяция погибает. Если популяция все же существует и не вымирает, то это значит, что эффективность отбора, действующего на эту популяцию, достаточно высока, чтобы компенсировать мутагенез.

Мы обязательно вернемся к этой теме; пока же достаточно этих общих очевидных положений.

-----------------------------------------

Белки

Белки (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку аминокислот. Белки – главные «рабочие лошадки». ДНК хранит и передает из поколения в поколение наследственную информацию, а белки выполняют почти всю «работу», необходимую для выживания, роста и размножения организма.

Функции белков. Обратите внимание на разнообразие этих функций. Белки могут все.

1) Каталитическая (ферменты) – пожалуй, главная. Эффективный катализ чуть ли не любых реакций. Если мы научимся...

2) Структурная (цитоскелет, коллаген, кератин…)

4) Рецепторная. Одно из потрясающих свойств белков – способность распознавать практически любые вещества и избирательно связываться с ними. Отчасти этим свойством обладают и молекулы РНК.

3) Защитная (антитела…). Тесно связана с рецепторной.

4) Регуляторная. а) протеинкиназы: взаимная активация. б) регуляторы транскрипции (транскрипционные факторы). Эта функция основана на способности белков распознавать участки молекул ДНК или РНК с определенной последовательностью нуклеотидов. Молекулы РНК справляются с этим еще лучше (на основе принципа комплементарности), поэтому часто белки-регуляторы образуют комплексы с маленькими молекулами РНК (рибонуклеопротеины).

5) Сигнальная (белковые гормоны, белки- регуляторы развития…). Для каждого сигнального вещества есть свой рецептор – тоже белок.

6) Транспортная (трансмембранные каналы, переносчики, гемоглобин…)

7) Моторная (двигательная)

Остальные базовые сведения о белках, надеюсь, вы получили в процессе работы над домашним заданием. Первичная структура – последовательность аминокислот.

«Белковая вселенная»

Количество возможных белков – невообразимо велико. Пептидов длиной в 20 аминокислот существует 20²⁰≈10²⁶. Нормальный белок состоит из нескольких сотен аминокислот. 200 аминокислот – это считается небольшой белок. Таких белков существует примерно 10²⁶⁰. По сравнению с этим числом число элементарных частиц во вселенной – неизмеримо ничтожно. Громадная «белковая вселенная», многомерное пространство всех возможных аминокислотных последовательностей.

Это значит, что «найти» в этом пространстве какую-то одну конкретную аминокислотную последовательность методом случайного поиска – абсолютно нереально. Это неизмеримо труднее, чем найти во вселенной, двигаясь наугад, какой-то один конкретный электрон.

Данное обстоятельство иногда используется креационистами – людьми, которые отрицают эволюцию – в качестве аргумента против естественного происхождения всего живого. Они утверждают, что, поскольку вероятность случайно наткнуться на нужный белок методом слепого поиска неизмеримо мала, следовательно, жизнь была преднамеренно сотворена Богом.

В этом рассуждении 2 ошибки.

· Первая ошибка: Не нужно искать конкретную последовательность, потому что одну и ту же функцию может успешно выполнять огромное множество разных белковых молекул.

· Вторая ошибка: Эволюция - не случайный поиск. Случайны только мутации, однако отбор – направленный процесс, представляющий собой прямую противоположность слепому случаю.

Мы должны оба этих положения разобрать в деталях и очень хорошо понять.

На этом слайде – изображение нашей физической вселенной, но давайте представим, что эта белковая вселенная, пространство всех возможных белков.

Можно представить себе области белковой вселенной, где находятся полезные функциональные белки, в виде светящихся точек, островков, или облаков.

ДЕМОНСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ Positive_selection.mdb «Отбор может найти любую точку в белковой вселенной». Показать:

1) что существует оптимальная скорость мутирования, при которой отбор создает «идеальную» последовательность быстрее всего.

2) Если она выше оптимума, отбор не может добраться до «идеальной» последовательности. Результат: хаотические блуждания на некотором удалении от «идеала» (нет неуклонного удаления, но нет и приближения). Если она ниже оптимума, достижение «идеала» занимает больше времени.

Уроки модели:

· В отличие от алгоритма случайных блужданий, алгоритм «мутации + отбор» (или «избирательное размножение удачных вариаций») позволяет найти любую точку в «белковой вселенной»

· Необходимое условие: поиск должен начинаться из такой области «вселенной», в которой уже чувствуется «притяжение» данного оптимума приспособленности (т.е. функция, для выполнения которой лучше всего подходит данная «идеальная» последовательность, должна хоть чуть-чуть выполняться всеми белками, находящимися в этой области). В пределах этой области приближение к «идеалу» поддерживается отбором, удаление – карается.

· Существует оптимальная скорость мутирования.

· Если скорость мутирования выше оптимума, эволюционирующая последовательность будет блуждать на некотором (примерно постоянном) расстоянии от «идеала». Расстояние зависит от баланса (соотношения) темпов мутирования и эффективности отбора.

· Если скорость мутирования ниже оптимума, эволюционирующая последовательность достигнет «идеала», но ей потребуется на это больше времени.

Итак, мы поняли, что алгоритм «мутации + отбор» - очень мощный. Осталось выяснить, выполняется ли условие, отмеченное на слайде.

Белковая Вселенная. Напомню: мы представляем себе функциональные белки в виде светлых точек, бессмысленные, нефункциональные последовательности – в виде черных. Насколько точно нужно подобрать аминокислотную последовательность белка, чтобы белок пусть плохо, но все-таки справился с той или иной полезной функцией? Иначе говоря, насколько часто в гигантском пространстве белковой вселенной встречаются белки, способные выполнять какие-то полезные (для живых организмов) функции, и насколько велики облака света, соответствующие разным функциям?

Если бы «островки функциональности» встречались очень редко и были бы очень маленькими и изолированными, если бы они были отделены друг от друга бескрайними темными пространствами, то жизнь на белковой основе, скорее всего, оказалась бы невозможной.

Однако реальная белковая вселенная не такова.

Есть два серьезных аргумента в пользу того, что в «белковой вселенной» очень много света и светлые отровки велики и не изолированны друг от друга.

1) Аргумент первый: синтез случайных коротких пептидов (по неск. дестяков аминокислот) – практически все основные функциональные группы, соответствующие так называемым «надсемействам» белков. В том числе - все базовые типы каталитической активности. Эффективность этих «микроферментов» мала, но это уже не важно: механизм естественного отбора прекрасно умеет постепенно доводить до совершенства любую существующую функцию.

2) Аргумент второй: практически все известные функциональные белки допускают оргомную вариабельность своей аминокислотной последовательности. Иными словами, чтобы хорошо выполнять какую-то функцию, белку не нужно иметь какую-то строго определенную последовательность аминокислот. Мы можем в этом убедиться, сравнив белки с одинаковой функцией, взятые у разных организмов.

Рассказать про ГЕНБАНК и БЛАСТ. Цитохром С. Человек и бык, человек и растение, человек и бактерия

Вывод: чтобы быть функциональным, рабочим цитохромом С, белку вовсе не обязательно иметь какую-то строго определенную аминокислотную последовательность. Достаточно иметь некий небольшой и довольно расплывчатый аминокислотный «мотив», определяющий структуру активного центра. В пределах сверхгромадной белковой вселенной существует меньшая, но все равно громадная область, соответствующая функциональным цитохромам С.

Пересадки: Может быть, эти разные цитохромы С приспособлены к своим организмам, к своему молекулярному окружению? Отчасти – да, но многочисленные опыты по пересадкам показывают, что этим можно объяснить лишь небольшую часть вариабельности. Как правило, пересаженные белки нормально работают в других организмах.

Пример 1: PAX6 (мышиный ген пересадили в мушиный эмбрион, и он сработал: вызвал развитие глаза).

Пример 2: Антифризы пересадили из рыб в помидоры.

Таким образом, аминокислотную последовательность белка можно менять в очень широких пределах, не нарушая его функции. Это означает, что белки толерантны к мутациям. Многие мутации, меняющие белок, не вредят его функциональности (или вредят лишь слабо).

В этом проявляется одно из важнейших свойств биологических систем: помехоустойчивость, способность противостоять всевозможным помехам.

Существует два главных типа помех, с которыми живым существам приходится сталкиваться постоянно. Это, во-первых, помехи внутренние – мутации, во-вторых, помехи внешние – изменения среды. Ни того, ни другого невозможно избежать.

Неустойчивые системы обязательно будут отсеиваться отбором. Рост помехоустойчивости живых систем – одно из абсолютно неизбежных следствий естественного отбора.

Важно, что, повысив устойчивость к какому-то одному типу помех, мы, как правило, автоматически повышаем устойчивость и к другим видам помех. Простейший пример: плотные кожные покровы защищают от высыхания, делая организм устойчивым к перепадам влажности. Но они одновременно защищают и от паразитов и патогенных микробов, проникающих через покровы, и от физических повреждений. Что касается белков, то про них, например, известно что устойчивость к мутациям тесно связана с устойчивостью к перепадам температур. Для белка «устойчивость» - это прежде всего устойчивость его пространственной конфигурации (того, как цепочка аминокислот сворачивается в рабочую трехмерную структуру). Если эта структура устойчива к мутациям, то она, скорее всего, будет устойчива и к перепадам температуры, и наоборот. Таким образом. вырабатывая частное приспособление для защиты от каких-то одних помех, живая система, как правило, автоматически приобретает более универсальную защиту от более широкого круга помех.

------------------------------------------------