Мутации: когда преимущества выходят на плато

Полезные мутации накапливаются в популяции бактерий в ходе эволюции, но её эффективность стремится к плато. Следовательно, теоретические эволюционные модели должны учитывать «тормозящий эффект» в ожидаемой пользе для выживания и размножения организмов. Это явление, известное как отрицательный эпистаз, впервые было продемонстрировано экспериментально в рамках французско-американского сотрудничества с участием команды из CNRS. Результаты опубликованы в журнале Science 3 июня 2011 года.

Исследование стало возможным благодаря уникальному эксперименту в Мичиганском университете, который длился более двадцати лет. Бактерии Escherichia coli культивировались в лаборатории круглосуточно, 365 дней в году. Исследователи регулярно отбирали пробы популяций для анализа их эволюции. В ходе этого долгосрочного эксперимента было показано, что некоторые бактерии — лучше всего приспособленные к среде — получают преимущество над остальной популяцией по мере смены поколений. Другими словами, работает естественный отбор. Сохранение штаммов бактерий путём заморозки позволило исследователям отслеживать «память» этой эволюции. Более того, они могли «оживлять» по желанию исходный штамм и все штаммы, выделенные в ходе эволюции, чтобы сравнивать бактерии, например, через 50 000 поколений (что в человеческом масштабе соответствует почти двум миллионам лет). Таким образом они смогли количественно оценить адаптацию бактерий к среде с течением времени, сравнивая скорость размножения (или «приспособленность») новых штаммов с древними.

Руководитель исследования, Ричард Ленски, инициировал сотрудничество с несколькими международными лабораториями, включая команду Доминика Шнайдера. Использование современных методов геномики — анализ целых геномов, а не нескольких генов, как раньше — позволило детально охарактеризовать мутации, возникающие в ходе бактериальной эволюции, и особенно те, что оказывают полезный эффект, повышая селективную ценность популяции. В этой работе исследователи сосредоточились на взаимодействиях между некоторыми из этих мутаций.

Выявив первые пять полезных мутаций, которые последовательно и спонтанно комбинировались в бактериальной популяции, учёные создали из исходного штамма 32 мутантных штамма, содержащих все возможные комбинации каждой из этих пяти мутаций. Они обнаружили, что преимущество, связанное с одновременным наличием пяти мутаций, было меньше суммы индивидуальных преимуществ, которые давала каждая мутация по отдельности. Таким образом, эпистаз снижает пользу от новых полезных мутаций по мере их появления у всё лучше приспособленных особей. Это явление объясняет наблюдаемое замедление роста адаптивной ценности по мере дальнейшей адаптации организмов.

Таким образом, полезные мутации накапливаются в ходе эволюции, но эффективность бактериальной популяции стремится к плато. Теоретические эволюционные модели, используемые для прогнозирования результатов, должны учитывать «тормозящий эффект», связанный с отрицательным эпистазом, в ожидаемой пользе для выживания и репродуктивного потенциала организмов. Более того, эта работа демонстрирует существование сетей взаимосвязанных генов и предполагает, что их можно картировать, чтобы лучше понимать и предсказывать их взаимодействия.