Визуализация и предсказание эволюции через картирование неуловимого «ландшафта приспособленности»
Создание детальной карты, показывающей, как будут эволюционировать различные штаммы вируса, — ключевая задача для разработки вакцин. Именно такую карту стремятся построить эволюционные биологи, используя концептуальный инструмент — ландшафт приспособленности, который позволяет визуализировать и предсказывать ход эволюции.
Хотя идея ландшафта существует с 1930-х годов, его детальное картирование оставалось сложной задачей. Исследователи из Мичиганского университета впервые представили всеобъемлющий in vivo ландшафт приспособленности для гена, который примерно в 100 раз больше любых предыдущих попыток. Работа под руководством профессора Цзяньчжи "Джорджа" Чжана опубликована в журнале Science.
Что такое ландшафт приспособленности?
Это трёхмерная карта, визуализирующая связь между генетическим составом организма (генотипом) и его репродуктивным успехом («приспособленностью»). Однако экспериментальное изучение ландшафтов было затруднено из-за колоссального размера генотипического пространства (например, миллиарды комбинаций для генома человека).
Чтобы сделать задачу управляемой, учёные сосредоточились на одном небольшом гене у пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), который содержит инструкции для синтеза транспортной РНК (тРНК). Этот ген состоит всего из 72 нуклеотидных оснований (A, T, G, C).
Исследователи создали более 65 000 штаммов дрожжей, каждый из которых нёс уникальный вариант гена с одной или несколькими точковыми мутациями («опечатками» в последовательности). Все штаммы поместили в одну пробирку для 24-часового конкурентного роста. По итогам для каждого штамма измерили скорость роста — показатель его дарвиновской приспособленности.
Ключевые результаты
- Картирован первый относительно полный in vivo ландшафт приспособленности для гена у эукариотического организма.
- Оказалось, что ~1% точечных мутаций были полезными, а ~42% — вредными.
- Взаимодействие двух вредных мутаций обычно наносило организму больший ущерб, чем сумма их независимых эффектов.
- Приспособленность в целом коррелировала с предсказанной долей правильно свёрнутых молекул тРНК, что указывает на биофизическую основу ландшафта.
Значение работы
Разработанный метод можно применять и к другим генам, включая кодирующие белки. Это открывает путь к экспериментальному измерению ландшафтов приспособленности, что имеет фундаментальное значение для эволюционной биологии, генетики и молекулярной биологии.