Естественият отбор на молекулярно равнище Understand article

Превод от Райчо Димков. Знаем, че определени генетични последователности могат да ни помогнат да преживеем в околната  среда – това е основата на…

Image courtesy of oversnap /
iStockphoto

Когато хората първо напуснали Африка преди около 150 000 години, заселвайки се в долините на Тигър и Ефрат, плавайки между островите на Индонезия и прекосявайки Беринговия проток към Америка, те са срещнали много предизвикателства. Идвайки от горещите сухи савани на Африка, населението е трябвало да се приспособи към местните условия и от поколение на поколение физиологията и външният вид на хората съответно са се променяли (Harris & Meyer, 2008). Кожата им станала по-бледа, след като те заживяли в райони с по-малко слънце (Lamason et al., 2005). Популациите, чиито представители пиели мляко от опитомени животни запазили способността си да усвояват лактозата и като възрастни, докато сред не пиещите мляко групи тази черта бързо се загубила (Tishkoff et al., 2007). Хората, които се хранели с богати на скорбяла храни, произвеждали повече слюнчена амилаза, ензимът, подпомагащ разграждането на скорбялата (Perry et al., 2007).

Карта на човшките миграции. Карта на света със Северния полюс в центъра. Африка, изходната точка за миграциите, е горе вляво, а Южна Америка е далече надясно. Миграционните пътища са базирани върху проучвания на митохондриалната (матрична) ДНК.
Числата означават годините назад (в хиляди) спрямо днешното време.
Синята линия представлява областта, покрита с лед или тундрата от последния ледников период.Буквите са хаплогрупите (чистите майчини линии) на митохондриалната ДНК; Хаплогрупите могат да се използват за определяне на генетичните популации и често те са географски ориентирани.
Например, общото разпределение на ДНК-хаплогрупите е следното:
Африкански: L, L1, L2, L3, L3
От Близкия изток: J, N
Южноевропейски: J, K
Общоевропейск: H, V
Северноевропейски: T, U, X
Азиатски: A, B, C, D, E, F, G (забележете: М е съставено от C, D, E и G)
Оригинално американски:A, B, C, D и понякога Х.
Увеличи снимката

С любезното съдействие на Avsa; източник: Wikimedia Commons

Поне за някои от тези промени е допустимо да се мисли, че те са били последица от положителна селекция (вж речника за всички термини, дадени в курсив). Това значи, че в дадена околна среда (при селективна преса) в миналото, индивидите с по-благоприятна ДНК- последователност са преживявали по-успешно и са оставяли по-голямо поколение, отколкото индивидите с различна, по-малко благоприятна последователност.. Днес, използвайки геномните последователности на много видове, вкл. на човека и негови еволюционно  най-близки родственици, учените могат да сравняват белезите и ДНК-последователностите на популациии или видове с различен начин на живот, идващи от различна околна среда.Така може да се идентифицира кои последователности са играли роля при адаптацията. На свой ред това позволява на изследователите да проучат функцията на ДНК-последователността и нейната потенциална  адаптивна  стойност  за даден организъм.

С любезното съдействие на
JBryson / iStockphoto

Някои от гените, за които се знае, че въздействат върху цвета на кожата при хората, показват специфични географски пътища за вариация на последователностите; по-специално, сравненията на последователностите между европейските и африканските популации намеква, че вариацията в цвета на кожата се дължи на позитивна селекция.  По-светлата кожа е в положителна корелация с нарастването на географската ширина и няколко хипотези са предложени за обяснение на потенциалните благоприятстващи ефекти.Една от хипотезите, която твърди, че светлата кожа способства за продукцията на витамин D, се подкрепя от наблюденията, че тъмнокожите хора, живеещи при високи географски ширини, страдат от недостиг на витамин  D. Нещо повече, светлата кожа е по-чувствителна спрямо вредните ефекти на слънчевата светлина: по-продължителното излагане на слънце корелира с нарастващата поява на рак на кожата при белите. Следователно, светлата кожа в човешките популации, обитаващи по-големите географски ширини, може да е един еволюционен компромис между предпазването от канцерогенния ефект на слънчевата светлина и възможността за достатъчна продукция на съществен витамин.

Снимка със сканиращ
електронен микроскоп на
сърповидна клетка и на
други червени кръвни
клетки

С любезното съдействие на
EM Unit, UCL Medical School, Royal Free Campus / Wellcome Images

Макар това да е солидна хипотеза, нейната очевидност е  косвена. Пряката демонстрация на адаптивната стойност на тази характеристика би изисквала измерване дали при по-високи географски ширини индивидите с по-светла кожа показват подобрена преживяемост и възпроизводство. Такива демонстрации с нашия вид обаче са трудни: експериментите за преживяемост (при които индивиди с различни белези са изложени при еднаква околна среда за да се види  кои ще преживеят) не могат да се осъществяват с хора, а и нашето дълго генерационно време затруднява изследването на различията в скоростта на репродукция. Обстоятелствата, при които е възможно да се наблюдава адаптивната стойност на някакъв белег при хората, са следователно много ограничени, но все пак те съществуват.

Комар с коремче пълно с
кръв.. Този вид, Anopheles
stephensi
, е насекомният
вектор, който пренася
маларията в Индия и
Пакистан

С любезното съдействие на
Hugh Sturrock / Wellcome
Images

Един пример включва в себе си две заболявания: един вид анемия и малария. Генът, ангажиран в сърповидно-клетъчната анемия, има два варианта или алели: един „нормален” алел и един друг алел, обуславящ сърповидната анемия. Индивиди с два  алела от втория вариант страдат от сериозна сърповидна анемия, докато тези с един такъв алел и с един нормален не развиват подобни тежки симптоми. Данните за смъртността обаче говорят, че сърповидният алел може да е изгоден: в популации, изложени  на маларийния паразит, индивидите, носещи един сърповиден и един нормален алел имат по-голям шанс за преживяемост, отколкото хората с два нормални алела. Това е така защото паразитът (Plasmodium falciparum) изисква здрави кръвни клетки за да навлезе в тях и да се размножи. Следователно, честотата на алела, причиняващ сърповидна анемия, нараства в изложените на малария групи – алелът е адаптиран към такава околна среда.

Сравнение между разпространението на маларията (вляво) и на сърповидно-клетъчната анемия (вдясно) в Африка
С любезното съдействие на Anthony Allison; източник: Wikimedia Commons

Друг един пример, показващ адаптивната стойност на белег при човека, се отнася до фрагмент от хромозома 17, за който се знае, че е бил разместен в нашите предшественици преди повече от  три милиона години (Stefansson et al., 2005). Фактът, че този вариант се е разпространил сред европейските популации показва, че той е бил свързан с положителна селекция – осигурил е предимство за индивидите, които го носят. Чрез  генотипиране на почти 30 000 островитяни учените, изследващи хипотезата, можаха да определят, че през последните над 80 години индивидите с този вариант са имали средно с 3,2% повече потомци за поколение, отколкото индивидите с нормална последователност. Това е едно правдоподобно обяснение как този вариант е успял да се разпространи  толкова бързо.
Макар че двата примера ясно демонстрират съвременното схващане за позитивната селекция при човека, то молекулярните механизми за това как вариациите от последователности осигуряват предимство не са добре разбрани и трябва да бъдат изследвани случай по случай. За да  осветлят причинните взаимовръзки между възможно адаптивните ДНК-последователности и индивидуалната приспособеност, учените се обръщат към организми, с които е по-лесно да се експериментира, отколкото с човек.

Например, цветът на окосмяването при полската мишка, Peromyscus polionotus, наподобява почвата на хабитата, осигурявайки маскировка. Мишките, обитаващи светлите пясъци по плажовете на Флорида, са много по-светли, отколкото мишките от същия вид, живеещи във вътрешността. Адаптивната стойност на този признак бе демонстрирана експериментално преди повече от 30 години: мишките с козина, наподобяваща цвета на почвата,са изяждани от совите по-рядко, отколкото другите, по-малко маскирани мишки. Едва наскоро обаче учените идентифицираха генетичните локуси за този адаптивен белег (Hoekstra et al., 2006): вариациите в оцветяването на козината зависи силно от различните алели на гена McR1. Белтъкът, кодиран от този ген, действа като биохимичен ключ, направляващ синтезата или на еумеланин, тъмния пигмент на кожата, или на феомеланин – светлия пигмент. Различните алели наMcR1- гена активират в различна степен пигмент-синтезиращия път, облагоприятствайки продукцията на единия или на другия пигмент.

Микроснимка със сканиращ
микроскоп на клъстери от
метицилин-резистентни
бактерии от вида
Staphylococcus aureus

С любезното съдействие на
Annie Cavanagh / Wellcome
Images

Един друг пример, илюстриращ причинно-следствените взаимовръзки, включва участието на Staphylococcus aureus, една бактерия, която може да причинява различни заболявания, вкл. пневмония или възпаление на сърдечната клапа. В един рядко срещан естествен експеримент пациент с повтарящи се инфекции от S.aureus бил лекуван три месеца с ванкомицин, един от малкото антибиотици, все още ефикасен срещу S.aureus. Преди и по време на лечението, на интервали, учените вземали проби (изолати) от патогена и секвенирали целия геном на първия и на последния изолати. Когато сравнили трите милиона чифта бази („буквите” на генетичния код), които изграждат бактериалната ДНК, те открили само 35 различия между първия и последния изолат.

Чрез частично секвениране на междинните изолати учените изчислили порядъка, по който трябва да са ставали тези промени в секвенциите. Чрез тестване ин витро на бактериалната устойчивост на различните изолати спрямо ванкомицин, те успели да корелират отделните генетични промени с ефекта върху бактериалния растеж и с отговора към лекарството. Например, първият и вторият бактериални изолати се различавали помежду си по шест нуклеотидни замествания (промени в „буквите”) в два от гените. Дори само тези шест мутации осигурявали ясно предимство: те повишавали бактериалната устойчивост спрямо ванкомицин четирикратно. Те позволяват на носещите ги бактерии да преживяват и да се размножават по-добре, ставайки повече в тялото на пациента. Двадесет и шестте последващи мутации през идните седмици на лечението удвоявали устойчивостта, формирайки ефективно щам от S.aureus, който е резистентен спрямо ванкомицина (Mwangi et al., 2007).

Накратко казано, изследването на молекулярните основи на адаптивната еволюция в  диви популации не е лесно. Предизвикателствата включват дефиниране на селективните преси, идентифициране на ДНК-последователностите за свързани белези, измерване на индивидуалната приспособеност, намиране на физическо обяснение за това как промените в последователността повлияват адаптивните белези. С използването на моделни организми и на последните технологични постижения обаче става осъществимо  по-доброто ни  разбиране как специфичните промени на генетично равнище позволяват на организмите да се адаптират към околната си среда.

 

Речник

Адаптивна стойност: даден белег притежава адаптивна стойност, ако спомага един индивид да преживява и да се възпроизвежда по-добре в определена околна среда, отколкото индивидите, които нямат този белег. По-точно, един белег се приема за адаптивен, ако той увеличава приспособеността.

Алел – вариант на ген

Приспособеност: труден за дефиниране официален термин от еволюционната биология и популационната генетика, напасване; описва осреднения брой на потомството в  поколението, свързано с един генотип – в сравнение с друг генотип в популацията. Следователно, генотипите, които дават по-многобройно потомство имат по-голяма писпособеност. За по-добър поглед върху понятията приспособеност и генотип виж Wikipediaw1.

Геном: всичката ДНК на организма. Обикновено се подразбира ядрената ДНК, за разлика от митохондриалната или пластидната ДНК. За повече информация виж ‘What is a genome’ в Националната библиотека на САЩ – Medicine websitew2.

Положителна селекция: естественият отбор е един от механизмите на еволюцията; той описва различната преживяемост и възпроизводство на индивидите в дадена околна среда. Естественият отбор се нарича „положителна селекция”, когато облагоприятства проявата на определен  белег, който спомага на притежаващите го индивиди да преживяват и се размножават по-добре, отколкото останалите.

Селективна преса: характеристика на околната среда (примерно – температура, наличие на паразити, хищничество или агресия от членовете на същия вид), която обуславя разлики в преживяването и възпроизводството на индивидите.

Белег: една или комплекс от черти в характеристиката на организма (например, височина, устойчивост към антибиотици, цветно зрение или способност да извърташ езика си).

С благодарност на

Авторът е признателен на David Hughes, Mehmet Somel и Ania Lorenc за полезните коментари на статията.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Harris EE, Meyer D (2006) The molecular signature of selection underlying human adaptations. American Journal of Physical Anthropology 131(S43): 89-130. doi: 10.1002/ajpa.20518
    • Тази статия осигурява добър обзор върху изследванията за молекулярната еволюция на човека.
  • Hoekstra H et al. (2006) A single amino acid mutation contributes to adaptive beach mouse color pattern. Science 313: 101-104. doi: 10.1126/science.1126121
  • Тази и други статии върху цвета на кожата при мишки, написани от изследователската група на Hopi Hoekstra са налични в уеб-сайта на  Harvard University. Виж: www.oeb.harvard.edu/faculty/hoekstra/Links/PublicationsPage.html
    • Виж също горната статия, в която е описано откритието на Agouti, един отрицателен регулатор на гена McR1 , допринасящ за адаптивния цвят на кожата при  Peromyscus.
    • Steiner CC, Weber JN, Hoekstra HE (2007) Adaptive variation in beach mice produced by two interacting pigmentation genes. PLoS Biology 5: e219. doi: 0.1371/journal.pbio.0050219
    • Тази и всички други статии в PLoS Biology са със свободен достъп on-line.
    • Следващата статия обобщава адаптивната пигментация при гръбначните:
    • Hoekstra HE (2006) Genetics, development and evolution of adaptive pigmentation in vertebrates. Heredity 97: 222-234. doi: 10.1038/sj.hdy.6800861
    • Статията е свободно доостъпна за снемане от  Heredity journal website: www.nature.com/hdy
    • Обзор на най-новите изследвания на Hopi Hoekstra е наличен в блога на John Hawks’: http://johnhawks.net/weblog/topics/evolution/selection/hoekstra-2009-adaptive-pigmentation.html
  • Lamason RL et al. (2005) SLC24A5, a putative cation exchanger, affects pigmentation in zebrafish and humans. Science 310: 1782-1786. doi: 10.1126/science.1116238
  • Mwangi MM et al. (2007) Tracking the in vivo evolution of multidrug resistance in Staphylococcus aureus by whole-genome sequencing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104: 9451-9456. doi: 10.1073/pnas.0609839104
  • Perry GH et al. (2007) Diet and the evolution of human amylase gene copy number variation. Nature Genetics 39: 1256-1260. doi: 10.1038/ng2123
  • Stefansson H et al. (2005) A common inversion under selection in Europeans. Nature Genetics 37: 129-137. doi: 10.1038/ng1508
  • Tishkoff SA et al. (2006) Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe. Nature Genetics 39: 31-40. doi: 10.1038/ng1946

Web References

Resources

Author(s)

Jarek Bryk е пост-докторантски изследовател в Max Planck Institute по еволюционна биология в Plön, Germany, където се опитва да намери и анализира адаптивните гени при мишка.


Review

Статията описва редица интересни примери за еволюционните адаптации на молекулярно равнище при човека. На преден план са изведени трудностите при осветляването на причинно-следствените взаимовръзки  между адаптивните ДНК-последователности и индивидуалната приспособеност при човека, както и необходимостта да се използват други опитни организми.

Статията подсигурява отличен материал за изчерпателни въпроси, насочени към разбирането на естествения отбор и на приспособеността при човека и други опитни организми. Така например:

  1. Обяснете процесите, участващи в естествения отбор
  2. Какво разбирате под понятието „приспособеност”?
  3. Обяснетее как алелът за сърповидни клетки придава селективно предимство при някои човешки популации.
  4. Кои са проблемите при установяването на причинно-следствените връзки между адативната ДНК и приспособеността при човека?
  5. Начертайте динамична схема за да обясните адаптивната стойност на кожното оцветяване при полската мишка.
  6. Как учените успяха да обвържат генетичните промени при Staphylococcus aureus с бактериалния растеж и с ответната реакция спрямо антибиотици?

Тази статия позволява също така на учащите се да изследват връзката между ДНК, аминокиселинната последователност, белтъчната структура и функция при сърповидно-клетъчната анемия. Текстът е подходящ за насочваща дискусия в класната стая върху методи и проблеми, свързани с изследването на молекулярните основи на еволюционните взаимоотношения и етиката при генетичните тестове в човешки популации. Могат да бъдат организирани интердисциплинарни проучвания относно историята на науката и еволюционната генетика на популациите.


Mary Brenan, Великобритания




License

CC-BY-NC-ND