Один из краеугольных камней современной теории эволюции — идея о ее градуальности. В соответствии с ней, отбор последовательно закрепляет мутации, каждая из которых слабо влияет на фенотип. Шаг за шагом этот процесс приводит к появлению сложных адаптаций и разнообразию видов. Теория говорит, что для того, чтобы такая пошаговая эволюция имела место, необходима адаптивность каждой мутации или хотя бы ее нейтральность. Однако, теория Мото Кимуры, разработанная в 1985 г., предлагает дополнительный альтернативный сценарий.
Кимура рассмотрел случай, когда приспособленность организма зависит от нелинейного взаимодействия разных генов. При взаимодействии разных вариантов (аллелей) двух генов может возникнуть ситуация когда невозможно эволюционировать пошагово из одного состояния в другое. Допустим, что в одном гене возможны два варианта (A и a) а в другом гене вариант (B и b). Если приспособленность индивидуумов с генотипом AB и ab высокая, а состояние генотипов Ab и aB приводят к низкой приспособленности. Тогда, получается, что для эволюции от варианта АB к аb необходимо совпадение мутаций сразу по обеим копиям гена, так как если мутация будет одна, то адаптивность снизится. Однако, Кимура заметил, что если рассматривать не отдельную особь, а популяцию в целом, то вероятность прыжка через долину с низкой приспособленностью увеличивается. Причина в том, что ситуация, когда популяция состоит только из особей с генотипом АB маловероятна, обычно в ней присутствует некоторое число мутантов Аb и аB. А в этом случае переход от АB к аb может произойти без фиксации промежуточного фенотипа с худшей приспособленностью.
В работе [1] исследователей из Центра геномной регуляции в Барселоне, Испания и Университета Мичигана, США изучалась эволюция митохондриальной транспортной РНК. Они рассмотрели переключения между Уотсон-Криковскими парами AU и GC (см. рис. 1) и показали, что промежуточные варианты GU и AC связаны с уменьшением приспособленности. Полученные для межвидовой и внутривидовой вариации результаты находятся в соответствии с гипотезой Кимуры о компенсаторной эволюции. Подобные компенсаторные переключения, из AU в GC, или наоборот, составляют основную долю от всех замен во вторичный структурах мт-тРНК, что показывает, что эти молекулы эволюционирует не шаг за шагом, как предсказывает классическая теория, а почти одновременной фиксацией двух отдельных мутаций. Исследователи говорят, что «Несмотря на наглядность пошаговой модели адаптивной эволюции, кажется, что для мт-тРНК большинство замен зависят от популяционной динамики, позволяющей перепрыгивать к лучшей приспособленности».
«Наша работа показывает, что невозможно описать эволюционный процесс целого класса молекул (митохондриальных тРНК) без понимания, как различные полиморфизмы взаимодействуют друг с другом в одной популяции», — говорит Фёдор Кондрашов, основной автор статьи и руководитель группы Эволюционной геномики в Центре геномной регуляции. «Наши результаты показывают, что некоторые мутации, уменьшающие приспособленность, не обязательно являются эволюционными тупиками. Наоборот, две по отдельности вредные мутации, которые в комбинации дают полезный эффект, открывают новые пути для дальнейшего движения эволюции», объясняет Кондрашов.
Федор Кондрашов ответил на вопросы ТрВ.
— Как возникла идея провести это исследование?
— Из нашей предыдущей работы [2] следовало, что компенсаторная эволюция, то есть переходы из одного Ватсон-Криковского состояния в другое происходят очень часто. Но мы тогда не смогли разобраться, как именно такие переходы происходят.
— Насколько часто в эволюции может встречаться подобный тип переходов?
— Конкретно для вторичных структур мт-тРНК до 60% от всех замен, то есть очень значительный кусок. Насколько этот эволюционный механизм распространён в других молекулах абсолютно непонятно. Основная новизна нашей работы заключается в том, что нам впервые удалось показать, что хоть в каких-то случаях такой не пошаговый механизм является важным.
— Можно ли обобщить результат на комбинации аллелей разных эпистатически взаимодействующих генов?
— Пока что нет, и, наверное, это является самым интересным вопросом на следующие 10-20 лет. Пока совершенно непонятно насколько эпистатические взаимодействия, возникающие между разными аллелями в одной популяции, важны на макроэволюционном уровне. Единственное исключение — мт-тРНК.
— Можно ли как-то это проверить?
— Активно думаем на эту тему. С мт-тРНК мы смогли проверить из-за мутационного неравновесия двух нитей ДНК в митохондрии. Как это проверить в белках или в ядерном геноме пока не понятно.
— Планируется ли развивать эту работу? Если да, то как, если нет, то что на очереди?
— Было бы забавно посмотреть, насколько важен такой процесс в эволюции белков. К сожалению, в белках гораздо сложнее рассмотреть взаимодействия всего двух сайтов (локусов) так как аминокислотные остатки часто взаимодействуют не попарно. Так же актуально дальнейшее развитие теории Кимуры — было бы забавно посмотреть насколько эпистатические взаимодействия между многими генами может повлиять на эволюцию через долины приспособленности.
Михаил Бурцев
[1] Margarita V. Meer, Alexey S. Kondrashov, Yael Artzy-Randrup & Fyodor Kondrashov (2010) “Compensatory evolution in mitochondrial tRNAs navigates valleys of low fitness”. Nature. DOI: 10.1038/nature08691.
[2] Kern AD, Kondrashov FA. Mechanisms and convergence of compensatory evolution in mammalian mitochondrial tRNAs. Nat Genet. 2004 Nov;36(11):1207-12.