23.03.2015

Полиплоидия ускоряет эволюцию

Эволюционный эксперимент, проведенный американскими биологами, показал, что тетраплоидные дрожжи (с четырьмя хромосомными наборами, 4N) приспосабливаются к неблагоприятным условиям быстрее, чем диплоидные (2N) и гаплоидные (1N). Повышенная скорость адаптации тетраплоидов обеспечивается, с одной стороны, большей частотой возникновения полезных мутаций, с другой — тем, что одна и та же мутация нередко оказывается более полезной для тетраплоидов, чем для диплоидов и гаплоидов. В частности, приобретение дополнительных копий хромосом или их утрата (анеуплоидия) часто повышает приспособленность тетраплоидов, в то время как диплоидам и гаплоидам такое же изменение не идет на пользу. По-видимому, наличие дополнительных копий генома в каждой клетке снимает часть ограничений, сдерживающих адаптивную эволюцию, и предоставляет больше свободы для эволюционного «поиска».

Полиплоидия (кратное увеличение числа хромосом в клетке) широко распространена в природе, однако ее эволюционная роль не вполне понятна. По-видимому, у нее есть как свои плюсы, так и минусы. К очевидным минусам относятся энергетические затраты на репликацию «лишних» хромосом. Полиплоидность обеспечивает более интенсивный синтез белка и обычно коррелирует с увеличением размеров клеток и организмов, что может быть выгодно в одних условиях и вредно в других. Кроме того, полиплоидность эффективно маскирует рецессивные вредные мутации, не позволяя им проявляться в фенотипе. Это может быть полезно в краткосрочной перспективе, но вредно в долгосрочной, ведь если вредные мутации не проявляются в фенотипе, то отбор не может их эффективно отбраковывать, и они будут быстро накапливаться (генетический груз будет расти). Впрочем, при изменении условий какие-то из накопленных вредных мутаций могут оказаться полезными. Полиплоидность, таким образом, может повышать как риск генетического вырождения, так и эволюционную пластичность. С отбором полезных мутаций у полиплоидов тоже не всё однозначно: доминантные полезные мутации, возможно, у них будут накапливаться эффективнее (полиплоидность не помешает отбору их поддерживать, а возникать они будут чаще, поскольку копий генома в каждой клетке больше), но с накоплением рецессивных полезных мутаций, наоборот, возникнут проблемы.

Как известно, дупликация генов — один из основных способов появления эволюционных новшеств. Полиплоидизация, она же полногеномная дупликация (например, переход от диплоидного состояния к тетраплоидному), — это, по сути дела, дупликация всех генов генома одновременно. Очевидно, она должна расширять эволюционные возможности организмов. Например, считается, что эволюционный успех позвоночных был во многом предопределен двумя последовательными полногеномными дупликациями, произошедшими на ранних этапах развития этого подтипа хордовых. В долгосрочной перспективе избыточные копии генов и хромосом утрачиваются, а оставшиеся делят функции и накапливают различия. В итоге дубликаты хромосом постепенно становятся разными хромосомами, и организм может снова стать де-факто диплоидным (если у него есть половое размножение) или гаплоидным.

Известно также, что увеличение плоидности может приводить к геномной нестабильности: механизмы митоза и мейоза начинают давать сбои, что ведет к нарушениям распределения хромосом по дочерним клеткам. В результате возникают анеуплоиды. Кроме того, хромосомы могут рваться, меняться участками и т. д. Это опять-таки может иметь двоякий эффект: с одной стороны — угроза генетического вырождения, с другой — повышение эволюционной пластичности (больше материала для отбора).

Чтобы лучше разобраться в краткосрочных эволюционных эффектах полиплоидии, американские биологи провели эксперимент на дрожжах (рис. 1). Авторы изготовили три линии генетически модифицированных дрожжей Saccharomyces cerevisiae, лишенных способности к половому процессу (поэтому в ходе эксперимента они могли размножаться только бесполым путем — почкованием); см.: Mating of yeast. Все гены у подопытных линий исходно были одинаковые, а различались они только плоидностью: первая линия — гаплоидная (1N), вторая — диплоидная (2N), третья — тетраплоидная (4N). Каждую линию подразделили на две части, в геномы которых были введены гены либо желтого, либо голубого флуоресцирующего белка. Из этих линий формировались подопытные популяции. Каждая популяция исходно содержала клетки только одной плоидности и две флуоресцентные метки в равной пропорции. Эти популяции затем помещались в среду, где в роли пищи выступал сахар рафиноза, усваиваемый дрожжами с большим трудом. Клетки из каждой популяции раз в сутки пересаживали в новую питательную среду. Всего в опыте приняли участие 173 гаплоидные популяции, 264 диплоидные и 265 тетраплоидных. Эксперимент продолжался 250 поколений, в течение которых дрожжи адаптировались к жизни в неблагоприятных условиях за счет мутаций и отбора.

Флуоресцентные метки позволили авторам следить за появлением и закреплением полезных мутаций. Изначально в каждой популяции было поровну клеток с желтыми и голубыми метками. Их соотношение оставалось примерно равным до тех пор, пока в популяции не возникала какая-нибудь полезная мутация. Точнее, до тех пор, пока такая мутация не достигала за счет дрейфа (случайных колебаний численности) такой частоты встречаемости, при которой ее начинает поддерживать отбор. После этого начинался экспоненциальный рост численности потомков удачного мутанта, что вело к быстрому отклонению соотношения желтых и голубых клеток от исходного (1:1). Если полезная мутация возникла у желтой клетки, в популяции росла доля желтых клеток, и наоборот.

В ходе эксперимента тетраплоидные популяции адаптировались к питанию рафинозой намного быстрее, чем диплоидные и гаплоидные. Таким образом, увеличение числа копий генома может, по крайней мере, в некоторых условиях, повышать эволюционный потенциал организмов. Это главный результат эксперимента.

Но авторы не остановились на достигнутом и попытались разобраться в механизмах, обеспечивающих преимущество тетраплоидов. Как выяснилось, это преимущество возникает, во-первых, благодаря повышенному темпу появления полезных мутаций, во-вторых, благодаря тому, что многие полезные мутации оказываются для тетраплоидов более полезными, чем для диплоидов и гаплоидов. Это взаимосвязанные вещи: повышенный темп полезного мутагенеза связан, с одной стороны, с тем, что у тетраплоидов вообще возникает больше мутаций (поскольку у них больше ДНК, а также, возможно, из-за геномной нестабильности), а с другой — с тем, что у тетраплоидов среднестатистическая случайная мутация с большей вероятностью оказывается полезной.

Полногеномное секвенирование представителей 74 подопытных популяций позволило выявить 240 новых мутаций (однонуклеотидных замен и небольших вставок или делеций), причем у гаплоидных линий за 250 поколений закрепилось в среднем по 2,05 мутаций, у диплоидных — 2,87, у тетраплоидных — больше всех: 4,5.

Уникальной особенностью тетраплоидных популяций оказалось большое число крупных хромосомных перестроек и изменений числа копий отдельных хромосом. Почти все тетраплоидные линии после 250 поколений эволюции оказались анеуплоидами, то есть число копий хотя бы одной хромосомы (всего у дрожжей 16 хромосом в гаплоидном наборе) у них отличалось от исходных четырех. Многие линии растеряли значительную часть «лишних» хромосом, вплоть до того, что некоторые клоны стали почти диплоидными. Другие, наоборот, приобрели дополнительные (пятые и даже шестые) копии некоторых хромосом, чаще всего — 13-й. У диплоидных и гаплоидных популяций ничего подобного не происходило: к концу эволюционного эксперимента среди них так и не появилось ни одного анеуплоида.

Авторы получили прямые экспериментальные доказательства того, что влияние одной и той же мутации на приспособленность может быть разным в зависимости от плоидности. Для этого они сконструировали ди- и тетраплоидные штаммы с дополнительной копией 13-й хромосомы и сравнили их приспособленность с контрольными штаммами, не имевшими лишней хромосомы (рис. 2, два верхних графика). Оказалось, что диплоидным дрожжам добавление лишней (третьей) копии 13-й хромосомы в неблагоприятной среде с рафинозой не приносит ни вреда, ни пользы, а в благоприятной среде с глюкозой оказывается вредным. Тетраплоидным же дрожжам лишняя (в данном случае пятая) копия той же хромосомы оказывается полезной в среде с рафинозой, не влияя на приспособленность к глюкозе.

Аналогичные опыты были поставлены с точечной мутацией, заменяющей одну аминокислоту в белке SNF3. Эта мутация (ее условное обозначение SNF3-G439E) закрепилась во многих подопытных популяциях. Как выяснилось, она помогает выживать на рафинозе дрожжам с любой плоидностью (1N, 2N или 4N), однако тетраплоидам она вдвое полезнее, чем диплоидам и гаплоидам (рис. 2, нижний левый график). Положительный эффект мутации является доминантным: диплоидам и тетраплоидам достаточно иметь эту мутацию только в одной из двух (или четырех) копий хромосомы, чтобы он проявился в полной мере. При этом в благоприятной глюкозной среде данная мутация почти не влияет на приспособленность (рис. 2, нижний правый график).

Казалось бы, полученные результаты убедительно показывают, что тетраплоиды обладают повышенным эволюционным потенциалом. Многие случайные генетические изменения, в том числе изменения числа копий отдельных хромосом, оказываются полезными для них, в то время как диплоидным и гаплоидным дрожжам такие же изменения либо приносят меньше пользы, либо вовсе бесполезны. Однако здесь имеется «подводный камень», состоящий в том, что приспособленность тетраплоидов к жизни в среде с рафинозой изначально была ниже, чем у диплоидов и гаплоидов. Это хорошо видно на рис. 2 (верхний левый график): красные точки, соответствующие тетраплоидным штаммам (4N), расположены ниже синих (2N). Между тем ранее было неоднократно показано, что чем ниже исходный уровень приспособленности, тем быстрее она растет в ходе адаптации. Это довольно-таки тривиальный эффект: чем хуже вы приспособлены, тем больше шансов, что случайное изменение (мутация) пойдет вам на пользу (см. Принцип Анны Карениной). Что если повышенная приспособляемость тетраплоидов объясняется просто-напросто их низкой исходной приспособленностью? В этом случае никаких далеко идущих выводов о пользе тетраплоидности на основе данного эксперимента делать нельзя.

Чтобы отвести это возражение, которое могло бы разрушить все их построения, авторы провели изящный дополнительный эксперимент. Они отобрали среди подопытных тетраплоидных линий, приспосабливавшихся к рафинозе в течение 250 поколений (4N250), 48 популяций, приспособленность которых к концу эксперимента оказалась примерно равна приспособленности исходных (предковых, не эволюционировавших) диплоидных линий (2N). Эти 48 популяций, сумевших за 250 поколений эволюции догнать исходные диплоидные линии по приспособленности, заставили приспосабливаться к рафинозе в течение еще 250 поколений. Получившиеся в итоге линии 4N500 затем сравнили с диплоидными линиями, прожившими на рафинозе 250 поколений (2N250). Таким образом, на этот раз эволюционное соревнование между диплоидами и тетраплоидами началось с одинаковой стартовой позиции (с одного и того же уровня приспособленности). Оказалось, что тетраплоиды и в этом случае опередили диплоидов: у линий 4N500 приспособленность оказалась существенно выше, чем у 2N250. Это справедливо как для тех линий 4N500, которые к концу эксперимента сохранили большую часть своих хромосом (итоговая плоидность примерно 3N–4N), так и для тех, кто утратил многие хромосомы, вплоть до состояния, близкого к диплоидному.

Следовательно, выявленное в эксперименте эволюционное преимущество тетраплоидов нельзя полностью объяснить их изначальной низкой приспособленностью. По-видимому, полиплоидность, по крайней мере в некоторых ситуациях, действительно повышает эволюционную пластичность и приспособляемость. Этот эффект может быть краткосрочным, а само полиплоидное состояние — преходящим. После полногеномной дупликации организмы могут быстро и эффективно эволюционировать в течение некоторого времени, попутно теряя лишние гены и хромосомы.

Конечно, если бы подопытным дрожжам не отключили искусственно способность к половому процессу, результаты получились бы другими. Например, анеуплоидия, безвредная и порой даже полезная для бесполых организмов, создает трудности при мейозе, поскольку у анеуплоидов не все хромосомы могут найти себе гомологичную пару. Поэтому при наличии полового размножения анеуплоидное состояние не может быть устойчивым (у бесполых — может). Но, возможно, нынешняя мода на экспериментальное изучение эволюции именно бесполых популяций оправданна: имеет смысл получше разобраться с этим более простым случаем, прежде чем включать в рассмотрение дополнительный, всё усложняющий фактор, такой как секс.

Подготовлено по материалам: Anna M. Selmecki, Yosef E. Maruvka, Phillip A. Richmond, Marie Guillet, Noam Shoresh, Amber L. Sorenson, Subhajyoti De, Roy Kishony, Franziska Michor, Robin Dowell & David Pellman. Polyploidy can drive rapid adaptation in yeast // Nature. 2015. V. 519. P. 349–352.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru