Предсказуемый рост приспособленности достигается непредсказуемыми путями

Американские биологи провели эволюционный эксперимент, в ходе которого 640 линий дрожжей, происходящих от 64 генетически различающихся клеток-основателей, приспосабливались к одним и тем же условиям в течение 500 поколений. Рост приспособленности в подопытных линиях шел тем быстрее, чем ниже была исходная приспособленность основателя. В результате к концу эксперимента различия по приспособленности сгладились. Наборы полезных мутаций, закрепившиеся в разных линиях, не зависели от исходного генотипа и оказались разными на нуклеотидном уровне, хотя многие из них затронули одни и те же гены. Исследование не выявило специфических взаимодействий между мутациями, но показало, что полезность одной и той же мутации убывает с ростом общей приспособленности генотипа.

Один из важнейших вопросов эволюционной биологии — вопрос о соотношении случайности и закономерности в адаптивной эволюции. Мутации по большей части случайны, но то, какие из них закрепятся, а какие отсеются, зависит от их влияния на приспособленность (эффективность размножения). Например, если существует лишь одна-единственная мутация, способная повысить приспособленность данного генотипа к данным условиям среды, то процесс адаптации будет вполне предсказуем, невзирая на случайный характер мутагенеза. Все мутации будут отсеиваться до тех пор, пока не произойдет та самая, единственная, которую отбор поддержит.

Если же потенциально полезных мутаций много, то на первый план выходит вопрос об эпистазе (см. Epistasis), то есть о том, как эти мутации друг с другом взаимодействуют. Ход адаптивной эволюции будет определяться тем, как влияют закрепившиеся ранее мутации на полезность тех, что еще не появились.

Если эпистаз отсутствует (то есть эффекты мутаций не зависят друг от друга), то полезные мутации будут закрепляться в произвольном порядке, и ход адаптации будет в значительной мере случаен. Сильный эпистаз ограничивает число разрешенных эволюционных траекторий и делает адаптивную эволюцию более предсказуемой и более зависящей от начальных условий, то есть от того, какие мутации возникнут первыми (подробнее см. в новостях Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006 и Расширение белковой вселенной продолжается, «Элементы», 24.05.2010).

В эксперименте использовались однополые, гаплоидные дрожжи, не способные к половому процессу (см. Mating of yeast). Правда, некоторые подопытные линии ухитрялись обойти поставленные перед ними препятствия, меняли пол, начинали спариваться и переходили в диплоидное состояние (см. ниже). Приспособленность дрожжей измеряли в конкурентных тестах, заставляя их размножаться на перегонки в смешанной культуре с меченым контрольным штаммом.

Эксперимент состоял из двух этапов (рис. 1). На первом этапе («диверсификация») 432 линии, полученные из единственной предковой гаплоидной клетки, жили в стандартной богатой среде либо при высокой, либо при низкой численности популяции в течение 240 поколений (в сутки сменялось по 10 поколений). Авторы хотели получить набор линий, сильно различающихся по приспособленности. Они исходили из предположения, что в маленьких популяциях из-за генетического дрейфа будут чаще фиксироваться слабовредные мутации, а в больших популяциях, где дрейф слабее, а отбор эффективнее, вредных мутаций накопится меньше, а полезных — больше. Их ожидания в целом подтвердились, и к концу фазы диверсификации они получили набор линий, сильно различающихся по приспособленности. Из этих линий они выбрали 64 клетки-«основателя», причем выборка создавалась таким образом, чтобы покрыть весь спектр вариабельности по приспособленности. Геномы основателей отличались от генома предковой клетки в среднем 4,2 мутациями, которые закрепились за время диверсификации. Наборы мутаций у всех основателей были разные. Это позволило авторам оценить влияние «генетического контекста» на последующий ход эволюции.

Второй этап эксперимента («адаптация») состоял в том, что от каждого основателя произвели по 10 линий, после чего все 640 получившихся линий независимо друг от друга продолжали приспосабливаться к тем же самым условиям в течении 500 поколений. Численность теперь у всех популяций была одинаковая (высокая). Периодически часть каждой популяции замораживали при –80°C, создавая таким образом «живую ископаемую летопись» эксперимента.

Всё это было придумано для того, чтобы оценить, с одной стороны, стохастичность эволюционного процесса, с другой — влияние генетического фона на ход адаптации. Стохастичность оценивали, сравнивая между собой линии, происходящие от одного и того же основателя. Чтобы оценить влияние генетического контекста, сравнивали линии, происходящие от разных основателей.

Приспособленность подопытных дрожжей за 500 поколений выросла в среднем на 6,6%. При этом различия по приспособленности между линиями в значительной мере сгладились (рис. 2).

Сглаживание различий объясняется тем, что линии, произошедшие от основателей с высокой начальной приспособленностью, в ходе эксперимента наращивали свою приспособленность медленнее, чем линии с исходно низкой приспособленностью. Лидеры притормозили, отстающие подтянулись, и в итоге разброс уменьшился. Таким образом, несмотря на неодинаковые стартовые позиции, подопытные популяции за 500 поколений пришли к похожим результатам. Можно сказать, что ход адаптивной эволюции оказался отчасти предсказуемым — если брать в расчет только приспособленность и не вдаваться в ее генетические основы.

Статистический анализ позволил оценить влияние различных факторов на скорость роста приспособленности (рис. 3). Оказалось, что выявленные между линиями различия по темпам роста приспособленности на 29% определяются эволюционной стохастичностью (то есть разнообразием путей, по которым пошла адаптация разных потомков одного и того же основателя), на 21% — ошибками измерений, на 50% — свойствами основателя. Причем из этих свойств самым важным является приспособленность: она определяет 46% из вышеупомянутых 50%, и лишь 4% зависят от конкретных особенностей генотипа основателя.

Иными словами, рост приспособленности в подопытных линиях дрожжей определялся в первую очередь тем, насколько приспособленным был основатель — независимо от того, какой именно набор мутаций обеспечил ему эту приспособленность. Потомки хорошо приспособленных основателей адаптировались медленно, потомки плохо приспособленных — быстро. Конкретный «генетический бэкграунд» оказывал лишь очень небольшое (хотя и статистически достоверное) влияние на скорость адаптации.

Этот результат отчасти согласуется с выводами других эволюционных экспериментов, в которых тоже был показан замедляющийся рост приспособленности. Так, в долгосрочном эволюционном эксперименте Ричарда Ленски было замечено, что каждая закрепившаяся полезная мутация делает последующие генетические усовершенствования в среднем менее полезными. Это явление назвали «эпистазом убывающей доходности» (см. Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013).

Но придумать название — еще не значит объяснить механизм. Замедление роста приспособленности может быть связано с разными причинами. Например, существует гипотеза «модульного эпистаза». Она предполагает, что многие полезные мутации избыточны в том смысле, что если одна из них уже произошла, то другие ничего не смогут добавить к ее полезному эффекту. Допустим, организму полезно в данных условиях отключить какой-то функциональный модуль. Этого можно добиться, выведя из строя тот или иной ген. Мутаций с таким эффектом может быть очень много. Первая мутация, отключившая ген, будет полезной, и отбор ее поддержит. Но если ген уже отключен, новые мутации, повреждающие его, полезными больше не будут: они станут нейтральными. То же самое будет и в случае, если выгодно не отключить модуль, а усилить его работу. Ведь это тоже можно сделать многими способами (при помощи многих разных мутаций). Замедление роста приспособленности может быть связано с тем, что чем больше модулей уже оптимизировано, тем меньше остается возможностей что-то еще улучшить.

Другая модель («специфический эпистаз») предполагает, что полезность большинства мутаций сильно зависит от генетического контекста, поэтому каждая новая закрепившаяся мутация может резко изменить шансы на фиксацию других мутаций. В этом случае путь к максимальной приспособленности становится похож на лабиринт с множеством развилок и тупиков. География этого лабиринта может быть такова, что чем дальше вы забрались, тем меньше у вас шансов продвинуться вперед еще немного.

Наконец, возможен вариант «глобального эпистаза», когда полезность мутаций мало зависит от конкретного генетического контекста, но сильно зависит от общей приспособленности организма. При этом одна и та же мутация принесет мало пользы хорошо приспособленному организму, а плохо приспособленному даст большой выигрыш.

Если преобладает «модульный» или «специфический» эпистаз, ход эволюции должен сильно зависеть от исходного генотипа. В этом случае подопытные линии дрожжей, произошедшие от одного и того же основателя, будут иметь сходные наборы мутаций. Если же преобладает глобальный эпистаз, наборы мутаций у потомков одного и того же основателя могут различаться так же сильно, как и у потомков разных основателей.

Чтобы проверить эти предположения, авторы отсеквенировали и сравнили полные геномы 104 подопытных клонов, произошедших от 13 основателей. На самом деле было отсеквенировано 150 потомков 15 основателей, но у многих клонов, как выяснилось, произошли «несанкционированные» эволюционные изменения, такие как фиксация аллеля-мутатора (см. Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013) или восстановление способности к половому процессу и переход в диплоидное состояние. Такие клоны были исключены из рассмотрения.

У остальных 104 клонов обнаружилось в общей сложности 1149 мутаций, закрепившихся на стадии адаптации. У 13 основателей на стадии диверсификации зафиксировалось 55 мутаций. В каждой линии, таким образом, фиксировалось примерно по одной мутации каждые 50 поколений — как на этапе диверсификации, так и на этапе адаптации.

Авторы исключили из рассмотрения синонимичные замены и мутации в межгенных промежутках, потому что они, скорее всего, не имеют функционального значения. Осталось 818 мутаций, предположительно важных для организма. Прежние эксперименты по параллельной эволюции бактерий и вирусов показали, что адаптация к одинаковым условиям часто приводит к независимой фиксации одинаковых мутаций в разных подопытных линиях. Эксперимент на дрожжах дал другие результаты: все выявленные мутации, кроме четырех, оказались уникальными , то есть характерными только для одного клона из 104.

Хотя сами мутации на нуклеотидном уровне были разными, выявилось значительное сходство в наборах генов, в которых закрепились мутации у разных клонов (как и в экспериментах по параллельной эволюции бактерий). Например, обнаружилось 24 гена, мутации в которых независимо закрепились в трех или более клонах. При случайном распределении это число было бы на порядок меньше. Очевидно, мутации в этих 24 генах часто оказывались полезными в условиях эксперимента.

Можно было бы предположить, что у потомков менее приспособленных основателей (чья приспособленность выросла сильнее) в процессе адаптации закрепилось больше функционально важных (и предположительно полезных) мутаций, чем у потомков основателей с высокой приспособленностью. Это, однако, не подтвердилось: у тех и других число закрепившихся предположительно полезных мутаций оказалось в среднем одинаковым. Это согласуется с результатами эксперимента Ленски, где число мутаций росло с постоянной скоростью, хотя приспособленность росла с замедлением (см. Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений, «Элементы», 02.11.2009).

Самый главный результат авторы получили, сравнив наборы мутировавших генов у клонов, произошедших от одних и тех же и от разных основателей. Оказалось, что происхождение от одного основателя (то есть одинаковый генетический фон) нисколько не повышает вероятность возникновения мутаций в одних и тех же генах. Уровень сходства по набору мутировавших генов оказался одинаковым у клонов с одинаковым и разным генетическим фоном. Этот результат — сильный аргумент в пользу гипотезы «глобального эпистаза» и против моделей «модульного эпистаза» и «специфического эпистаза».

Дополнительные генно-инженерные эксперименты тоже подтвердили глобальный эпистаз. Авторы выбрали три гена, в которых у нескольких клонов независимо закрепились мутации, выводящие эти гены из строя (рис. 4). Это значит, что их отключение, скорее всего, повышает приспособленность в данных условиях. Ученые искусственно отключили эти гены у 13 основателей, у общего предка и у нескольких дополнительных клонов с разной приспособленностью. Оказалось, что эта процедура действительно повышает приспособленность, причем сила положительного эффекта зависит от исходной приспособленности клона. Дрожжи с исходно высокой приспособленностью получают лишь небольшой выигрыш от отключения любого из трех генов, тогда как дрожжам с низкой приспособленностью оно приносит заметно больше пользы.

Таким образом, исследование показало, что глобальный эпистаз играет в адаптивной эволюции дрожжей важную роль. Чем выше приспособленность, тем меньше пользы приносят новые полезные мутации, причем этот эффект практически не зависит от конкретного генетического контекста. Полезность мутаций зависит только от общей приспособленности, но не от того, какими генетическими особенностями эта приспособленность обусловлена. Причины и механизмы, обеспечивающие глобальный эпистаз у дрожжей, пока неизвестны: для их выявления нужны дополнительные исследования.

Нет пока и ответа на вопрос, почему специфический эпистаз — взаимное влияние мутаций, ярко проявившееся в экспериментах на бактериях, — у дрожжей выявить не удалось. Возможно, это как-то связано с фундаментальными различиями геномной архитектуры прокариот и эукариот (об этих различиях подробно рассказано в книге Евгения Кунина «Логика случая»). Для прокариот характерны огромные популяции, что повышает эффективность очищающего отбора. Возможно, поэтому геномы прокариот оптимизированы и компактны, в них мало «генетического мусора», но мало и степеней свободы для эволюционных преобразований; отдельные функциональные блоки наследственной информации слишком плотно подогнаны друг к другу — в том числе из-за сцепленного наследования, порождаемого отсутствием настоящего полового процесса и относительной редкостью горизонтального обмена генами между организмами. Эукариоты, даже одноклеточные, в среднем гораздо крупнее прокариот, поэтому популяции у них меньше, а очищающий отбор не столь эффективен. Поэтому структура геномов у них более «рыхлая», в них много некодирующих участков и различных эгоистических элементов. К тому же аллели постоянно перетасовываются в ходе полового размножения и потому не так сильно «притерты» друг к другу. Одним из проявлений этих общих свойств эукариотических геномов может быть ослабление зависимости полезности мутаций от конкретного генетического контекста. Впрочем, у нас пока еще слишком мало данных по генетическим основам адаптивной эволюции эукариот, чтобы делать глобальные выводы.