Эволюционная устойчивость (также называемая биологической или генетической устойчивостью ) — в эволюционной биологии сохранение определенной характеристики или признака в системе при возмущениях или условиях неопределенности. Устойчивость в развитии известна как . В зависимости от типа возмущения устойчивость можно разделить на мутационную, экологическую, рекомбинационную или поведенческую устойчивость . Устойчивость достигается за счет сочетания многих генетических и молекулярных механизмов и может развиваться путем прямого или косвенного отбора. Было разработано несколько модельных систем для экспериментального изучения устойчивости и ее эволюционных последствий.

Классификация

Мутационная устойчивость Мутационная устойчивость (также называемая устойчивостью к мутациям) описывает степень, в которой фенотип организма остается постоянным, несмотря на мутацию. Устойчивость можно измерить эмпирически для нескольких геномов и отдельных генов вызывая мутации и измеряя, какая часть мутантов сохраняет тот же фенотип, функцию или приспособленность. В более общем смысле устойчивость соответствует нейтральной полосе в распределении эффектов приспособленности мутации (т.е. частот различной приспособленности мутантов). Белки, исследованные до сих пор, показали толерантность к мутациям примерно в 66% (т.е. две трети мутаций нейтральны).

И наоборот, измеренная мутационная устойчивость организмов широко варьируется. Например, >95% точковых мутаций у C. elegans не оказывают заметного эффекта и даже 90% нокаутов одного гена у E. coli не летальны. Однако вирусы переносят только 20–40% мутаций и, следовательно, гораздо более чувствительны к таковым.

Устойчивость к стохастичности Биологические процессы на молекулярном уровне по своей сути стохастичны. Они возникают в результате комбинации случайных событий, происходящих с учетом физико-химических свойств молекул. Например, экспрессия генов по своей сути является шумной. Это означает, что две клетки, находящиеся в совершенно одинаковых , будут иметь различное содержание мРНК. Логнормальное распределение содержания мРНК на уровне клеточной популяции следует непосредственно из применения центральной предельной теоремы к многоступенчатому характеру регуляции экспрессии генов.

Экологическая устойчивость В различных условиях идеальная адаптация к одним условиям может происходить за счет адаптации к другим. Следовательно, общее давление отбора на организм представляет собой средний отбор во всех средах, взвешенный по проценту времени, проведенного в этой среде. Таким образом, изменчивая среда может выбирать устойчивость окружающей среды, когда организмы могут функционировать в широком диапазоне условий с небольшими изменениями в фенотипе или приспособленности (биологии). Некоторые организмы демонстрируют адаптацию, способную переносить большие изменения температуры, наличия воды, солености или наличия пищи. Растения, в частности, неспособны двигаться при изменении окружающей среды и поэтому демонстрируют целый ряд механизмов достижения экологической устойчивости. Белки демонстрируют толерантность к широкому диапазону растворителей, концентраций ионов или температур.

Генетические, молекулярные и клеточные причины

Геномы мутируют из-за загрязненности окружающей среды и несовершенной репликации, но при этом проявляют замечательную толерантность. Это происходит из-за надежности на многих разных уровнях.

Мутационная устойчивость организма Существует множество механизмов, обеспечивающих устойчивость генома. Например, снижает эффект мутаций в любой копии многокопийного гена. Кроме того, поток через метаболический путь обычно ограничен лишь несколькими этапами, а это означает, что изменения в функции многих ферментов мало влияют на приспособляемость. Точно так же метаболические сети имеют множество альтернативных путей для производства многих ключевых метаболитов.

Мутационная устойчивость белков Толерантность к мутациям белка является результатом двух основных особенностей: структуры генетического кода и структурной устойчивости белка. Белки устойчивы к мутациям, поскольку многие последовательности могут образовывать очень похожие структурные складки. Белок принимает ограниченный ансамбль нативных конформаций, поскольку эти конформеры имеют более низкую энергию, чем развернутые и неправильно свернутые состояния (ΔΔG сворачивания). Это достигается за счет распределенной внутренней сети кооперативных взаимодействий (гидрофобных, полярных и ковалентных). Структурная устойчивость белка обусловлена тем, что несколько одиночных мутаций оказываются достаточно разрушительными, чтобы поставить под угрозу функцию. Белки также эволюционировали, чтобы избежать агрегации поскольку частично свернутые белки могут объединяться с образованием крупных повторяющихся нерастворимых белковых фибрилл и масс. Имеются доказательства того, что белки демонстрируют негативные конструктивные особенности, позволяющие уменьшить воздействие склонных к агрегации мотивов бета-листов в их структурах. Кроме того, есть некоторые свидетельства того, что сам генетический код может быть оптимизирован таким образом, что большинство точковых мутаций приводят к образованию сходных аминокислот . Вместе эти факторы создают распределение эффектов приспособленности мутаций, которое содержит высокую долю нейтральных и почти нейтральных мутаций.

Устойчивость экспрессии генов Во время эмбрионального развития экспрессия генов должна строго контролироваться во времени и пространстве, чтобы дать начало полностью функциональным органам. Поэтому развивающиеся организмы должны иметь дело со случайными возмущениями, возникающими в результате стохастичности экспрессии генов. У билатерий устойчивость экспрессии генов может быть достигнута за счет избыточности энхансеров. Это происходит, когда экспрессия гена находится под контролем нескольких энхансеров, кодирующих одну и ту же регуляторную логику (т.е. отображающих сайты связывания для одного и того же набора факторов транскрипции). У Drosophila melanogaster такие избыточные энхансеры часто называют теневыми энхансерами.

Устойчивость паттернов развития Механизмы формирования паттерна, подобные описанным моделью французского флага, (трнехцветного ) могут быть нарушены на многих уровнях (производство и стохастичность диффузии морфогена, производство рецептора, стохастичность сигнального каскада и т. д.). Таким образом, формирование паттернов по своей сути является шумным. Поэтому устойчивость к этому шуму и генетическим возмущениям необходима для обеспечения того, чтобы клетки точно измеряли позиционную информацию. Исследования нервной трубки рыбок данио и передне-заднего паттерна показали, что шумная передача сигналов приводит к несовершенной дифференцировке клеток, которая позже корректируется трансдифференцировкой, миграцией или гибелью смещенных клеток.

Кроме того, было продемонстрировано, что важную роль в устойчивости к генетическим возмущениям играет структура (или топология) сигнальных путей . Самоусиливающаяся деградация уже давно является примером устойчивости в системной биологии. Сходным образом, устойчивость дорсовентрального паттерна у многих видов возникает благодаря сбалансированным механизмам челночной деградации, участвующим в передаче сигналов BMP.

Эволюционные последствия Поскольку организмы постоянно подвергаются генетическим и негенетическим изменениям, устойчивость важна для обеспечения стабильности фенотипов. Кроме того, при балансе мутаций и отбора мутационная устойчивость может способствовать накоплению в популяции загадочных генетических вариаций. Хотя эти генетические различия фенотипически нейтральны в стабильной среде, они могут проявляться как различия в признаках, зависящие от окружающей среды (см. Эволюционную емкость), что позволяет выражать большее количество наследственных фенотипов в популяциях, подвергающихся воздействию изменяющейся среды.

Быть устойчивым может быть даже предпочтительнее в ущерб общей приспособленности как эволюционно стабильной стратегии (также называемой выживанием самого плоского survival of the flattest). Высокий, но узкий пик фитнес-ландшафта обеспечивает высокую приспособленность, но низкую устойчивость, поскольку большинство мутаций приводят к массовой потере приспособленности. Высокая частота мутаций может способствовать популяциям с более низкими, но более широкими пиками приспособленности. Более критические биологические системы также могут иметь больший отбор по устойчивости, поскольку снижение функций более вредно для приспособленности . Считается, что мутационная устойчивость является одним из факторов теоретического формирования вирусных квазивидов.

Возникающая мутационная устойчивость Естественный отбор может прямо или косвенно влиять на устойчивость. Когда уровень мутаций высок, а размеры популяций велики, предполагается, что популяции будут перемещаться в более плотно связанные области нейтральной сети, поскольку менее устойчивые варианты имеют меньше выживших мутантных потомков. Условия, при которых отбор может таким образом напрямую увеличивать мутационную устойчивость, являются ограничительными, и поэтому считается, что такой отбор ограничивается лишь несколькими вирусами и микробами, имеющими большие размеры популяций и высокую частоту мутаций. Такая возникающая устойчивость наблюдалась в экспериментальной эволюции цитохрома P450 и B-лактамазы. И наоборот, мутационная устойчивость может развиваться как побочный продукт естественного отбора на устойчивость к воздействиям окружающей среды .

Устойчивость и возможность развития Считалось, что мутационная устойчивость оказывает негативное влияние на эволюционность, поскольку она снижает мутационную доступность различных наследственных фенотипов для одного генотипа и уменьшает селективные различия внутри генетически разнообразной популяции. Однако, как ни странно, была выдвинута гипотеза, что фенотипическая устойчивость к мутациям может фактически увеличить темп наследственной фенотипической адаптации, если рассматривать ее в течение более длительных периодов времени .

Одна из гипотез о том, как устойчивость способствует эволюции в бесполых популяциях, заключается в том, что связанные сети фитнес-нейтральных генотипов приводят к мутационной устойчивости, которая, хотя и снижает доступность новых наследственных фенотипов в короткие сроки, в течение более длительных периодов времени, нейтральные мутации и генетический дрейф приводят к тому, что популяция становится распределены по более крупной нейтральной сети в пространстве генотипов. Это генетическое разнообразие дает популяции мутационный доступ к большему числу различных наследуемых фенотипов, которые могут быть достигнуты из разных точек нейтральной сети. Однако этот механизм может быть ограничен фенотипами, зависящими от одного генетического локуса; что касается полигенных признаков, генетическое разнообразие в бесполых популяциях существенно не увеличивает эволюционность.

В случае белков устойчивость способствует эволюции в виде избыточной свободной энергии сворачивания. Поскольку большинство мутаций снижают стабильность, избыток свободной энергии сворачивания обеспечивает толерантность к мутациям, которые полезны для активности, но в противном случае дестабилизировали бы белок.

В половых популяциях устойчивость приводит к накоплению загадочных генетических вариаций с высоким эволюционным потенциалом.

Когда устойчивость обратима способность к развитию может быть высокой, при этом эволюционная емкость позволяет переключаться между высокой устойчивостью в большинстве обстоятельств и низкой устойчивостью во время стресса .

Этический аспект Возможность редактировать геномы, чтобы укрепить свое здоровье приводит к возникновению ряда этических проблем. Так, возникает вопрос, не расколется ли общество на генетически усовершенствованных людей и на тех, кому придется смириться с наследственностью? Эти вопросы не менее важны, чем прочие этические и философские проблемы. См. также Эпистаз Эволюционная биология развития

Примечания

Литература