Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
12 популяций LTEE E. coli на 25 июня 2008 г. [1]

Кишечная палочка долгосрочной эволюции эксперимент ( Ltée ) проводится исследование в экспериментальной эволюции под руководством Ричарда Ленским , который был отслеживание генетических изменений в 12 первоначально равнозаселении бесполого кишечной палочки бактерий с 24 февралем 1988 года [2] Население достигло рубеж в 50 000 поколений в феврале 2010 года . [3] 13 марта 2017 года Ленски выполнил 10-тысячный перенос эксперимента. [4] Популяции достигли 73500 поколений в начале 2020 года, незадолго до того, как они были заморожены из-за пандемии COVID-19. [5] [6]

В ходе эксперимента Ленски и его коллеги сообщили о широком спектре фенотипических и генотипических изменений в развивающихся популяциях. В их число вошли изменения, произошедшие во всех 12 популяциях, и другие, которые проявились только в одной или нескольких популяциях. Например, во всех 12 популяциях наблюдалась схожая картина быстрого улучшения приспособленности, которое со временем замедлялось, скорости роста и увеличения размера клеток. У половины популяций развились дефекты репарации ДНК, которые вызвали мутаторные фенотипы, отмеченные повышенной частотой мутаций. Самая поразительная адаптация, о которой сообщалось до сих пор, - это эволюция аэробного роста на цитрате, что необычно для E. coli , в одной популяции в какой-то момент между поколениями от 31 000 до 31 500. [7] [8]

Ленский принял решение приостановить эксперимент 9 марта 2020 года, когда его лаборатория временно закрылась в качестве меры предосторожности против распространения COVID19 . Все линии длительного хранения были помещены в хранилище со сверхнизкими температурами до тех пор, пока их можно будет разморозить для продолжения эксперимента. [9]

4 мая 2020 года Ленски объявил о пятилетнем продлении гранта в рамках Программы долгосрочных исследований в области экологической биологии (LTREB) Национального научного фонда, которая поддерживает LTEE. Он также объявил, что эксперимент будет передан под наблюдение доктора Джеффри Э. Баррика, доцента кафедры молекулярной биологии Техасского университета в Остине, в течение следующих 5 лет. [10] Доктор Баррик ранее был исследователем с докторской степенью у доктора Ленски и внес большой вклад в исследования, основанные на LTEE. [10]

Экспериментальный подход [ править ]

Долгосрочный эволюционный эксперимент был разработан как открытое средство эмпирического исследования центральных особенностей эволюции . Эксперимент был начат с тремя основными целями:

  1. Изучить динамику эволюции, включая скорость эволюционных изменений.
  2. Исследовать повторяемость эволюции.
  3. Чтобы лучше понять взаимосвязь между изменениями на фенотипическом и генотипическом уровнях. [11]

По мере продолжения эксперимента его масштабы росли, поскольку возникали новые вопросы в эволюционной биологии, которые можно использовать для решения, поскольку эволюция популяций представила новые явления для изучения, а также по мере развития технологий и методологических методов. [12]

Использование E. coli в качестве экспериментального организма позволило изучить многие поколения и большие популяции за относительно короткий период времени. Более того, из-за длительного использования E. coli в качестве основного модельного организма в молекулярной биологии , был доступен широкий спектр инструментов, протоколов и процедур для изучения изменений на генетическом, фенотипическом и физиологическом уровнях. [13]Бактерии также можно заморозить и сохранить, оставаясь при этом жизнеспособными. Это позволило создать то, что Ленски называет «замороженной летописью окаменелостей» образцов эволюционирующих популяций, которые могут быть восстановлены в любое время. Эта замороженная летопись окаменелостей позволяет возобновить популяцию в случае заражения или другого нарушения эксперимента, а также позволяет изолировать и сравнивать живые образцы предков и эволюционировавших клонов. Ленски выбрал штамм E. coli, который размножается только бесполым путем , не имеет плазмид, которые могли бы разрешить бактериальную конъюгацию , и не имеет жизнеспособного профага . Как следствие, эволюция в эксперименте происходит только за счет основных эволюционных процессов мутации., генетический дрейф и естественный отбор . Эта строгая асексуальность также означает, что генетические маркеры сохраняются в линиях и классах по общему происхождению , но не могут иначе распространяться в популяциях. [11]

Ленски решил провести эксперимент с бактериями, выращенными в минимальной среде с ограничением глюкозы, названной DM25 [14], которая была первоначально разработана Бернардом Дэвисом для использования в изоляции ауксотрофных мутантов E. coli с использованием пенициллина в качестве селективного агента. [15] [16] DM25 содержит низкую концентрацию глюкозы. [14] Ленски выбрал эту концентрацию, чтобы упростить анализ эволюции популяций за счет уменьшения клональной интерференции , в которой несколько версий аллелейконкурируют в эволюционирующей популяции, уменьшая при этом возможность эволюции экологических взаимодействий. [11] Такая концентрация используемой глюкозы поддерживает максимальную популяцию в 500 миллионов клеток предка в 10 мл культуры, хотя теперь максимум варьируется среди эволюционирующих популяций. [15] DM25 также содержит большое количество цитрата (примерно в 11 раз больше, чем концентрация глюкозы), который первоначально был включен Дэвисом, потому что он улучшил эффективность уничтожения пенициллина во время его экспериментов, хотя теперь известно, что он помогает при кишечной палочке. " приобретение сек железа из среды. [15] [17]

Методы [ править ]

12 популяций содержатся в инкубаторе при 37 ° C (99 ° F) в лаборатории Ленски в Университете штата Мичиган . Каждый день 1% каждой популяции переносят в колбу со свежей питательной средой DM25. Разбавление означает, что в каждой популяции ежедневно происходит 6,64 поколений или удвоений. Большие репрезентативные образцы каждой популяции замораживают глицерином в качестве криопротектора с интервалами в 500 поколений (75 дней). Бактерии в этих образцах остаются жизнеспособными и могут быть восстановлены в любое время. Эта коллекция образцов называется «замороженной летописью окаменелостей» и обеспечивает историю эволюции каждой популяции на протяжении всего эксперимента. Популяции также регулярно проходят скрининг на предмет изменений средней приспособленности., и дополнительные эксперименты регулярно проводятся для изучения интересных изменений в популяциях. [18] По состоянию на апрель 2016 г. популяции E. coli изучались на протяжении более 64 500 поколений и, как полагают, претерпели достаточно спонтанных мутаций, чтобы каждая возможная точечная мутация в геноме E. coli происходила несколько раз. [7]

Основное напряжение [ править ]

Штамм E. coli, который Ленски решил использовать в эксперименте по длительной эволюции, был получен из «штамма Bc251», как описано в статье Сеймура Ледерберга 1966 года через Брюса Левина, который использовал его в эксперименте по бактериальной экологии в 1972 году. Определяющими генетическими признаками этого штамма были: T6 r , Str r , r - m - , Ara - (не может расти на арабинозе ). [2] Ленски обозначил исходный штамм-основатель как REL606. Перед началом эксперимента Ленский выделил Ara + вариант штамма, в котором точечная мутация в опероне ara восстановил рост на арабинозе, которую он обозначил как штамм REL607. Когда начало долгосрочной эволюции эксперимента, Ленский основал шесть популяций с шестью отдельными Ara - колониями REL606. Эти популяции обозначаются как Ara-1 - Ara-6. Ленский также основал еще шесть популяций из шести отдельных колоний Ara + REL607. Их называют популяциями от Ara + 1 до Ara + 6. Маркерные различия позволяют дифференцировать штаммы на чашках Tetrazolium Arabinose, на которых колонии Ara - выглядят красными, а Ara +колонии от белого до розового. В ходе эксперимента каждая популяция накопила большое количество различных мутаций, которые позволяют использовать дополнительные средства идентификации штаммов по популяции их происхождения.

Результаты [ править ]

Изменения в фитнесе [ править ]

Хронология эксперимента по долгосрочной эволюции E. coli , показывающая взаимосвязь между годами и поколениями эволюции, а также важные события и открытия. [19] [20]

Многое в ходе анализа эксперимента было посвящено тому, как изменилась приспособленность популяций по отношению к их предкам. Все популяции показали образец быстрого увеличения относительной приспособленности в течение ранних поколений, причем это увеличение замедлялось с течением времени. К 20 000 поколениям популяция росла примерно на 70% быстрее, чем у предков. [11] Это увеличение и замедление роста продолжалось в последующих поколениях. В исследовании 2013 года Wiser et al. сообщили о постоянном улучшении на 50 000 поколений по сравнению с образцами, выделенными на 40 000 поколений. Они обнаружили, что повышение пригодности соответствует степенному законумодель намного лучше, чем гиперболические модели, которые использовались ранее. Поскольку модель степенного закона описывает постоянно замедляющееся увеличение, не имеющее верхнего предела, в то время как гиперболическая модель подразумевает жесткий предел, работа предполагает, что рост будет продолжаться без ограничений, поскольку в популяциях фиксировались все более низкие мутации полезности. [21] Дальнейшая работа, опубликованная в 2015 году, сообщила о результатах более 1100 новых тестов пригодности, в которых изучались изменения приспособленности на протяжении 60 000 поколений. Данные снова соответствуют предложенной модели степенного закона и, действительно, соответствуют предсказаниям модели на основе более ранних данных. Эти результаты предполагают, что, в отличие от предыдущего мышления, адаптация и адаптивное расхождение потенциально могут увеличиваться бесконечно, даже в постоянной среде. [22] [23][24]

Эволюция генома [ править ]

До сих пор сообщалось, что из 12 популяций у шести развились дефекты в их способности восстанавливать ДНК , что значительно увеличивает скорость мутаций в этих штаммах. [8] [25] [26] Хотя считается, что бактерии в каждой популяции произвели сотни миллионов мутаций в течение первых 20000 поколений, Ленски подсчитал, что в течение этого периода времени только от 10 до 20 полезных мутаций достигли фиксации в каждой. популяция, с менее чем 100 полными точечными мутациями (включая нейтральные мутации ), достигающими фиксации в каждой популяции. [11]В 2009 году Barrick et al. сообщили о результатах определения последовательностей генома из нескольких временных точек в популяции Ara-1. Они обнаружили, что, в отличие от снижения скорости улучшения приспособленности, накопление мутаций было линейным и напоминало часы, хотя несколько линий свидетельств предполагали, что большая часть накопления была полезной, а не нейтральной. [27]

Эволюция увеличения размера клеток во всех двенадцати популяциях [ править ]

Рост размера клеток бактерий в эксперименте Ленски

Все двенадцать экспериментальных популяций показывают увеличение размера клеток одновременно с уменьшением максимальной плотности популяции, а во многих популяциях - более округлую форму клеток. [28] Это изменение было частично результатом мутации, которая изменила экспрессию гена пенициллин-связывающего белка , что позволило мутантным бактериям превзойти предковые бактерии в условиях эксперимента по долгосрочному развитию. Однако, хотя эта мутация увеличивала приспособленность в этих условиях, она также увеличивала чувствительность бактерий к осмотическому стрессу и снижала их способность выживать в течение длительных периодов в культурах стационарной фазы. [28]

Экологическая специализация [ править ]

В ходе эксперимента популяции эволюционировали, чтобы специализироваться на том ресурсе глюкозы, на котором они растут. Впервые это было описано в 2000 году, когда Купер и Ленски продемонстрировали, что все популяции испытали распад неиспользуемых метаболических функций после 20 000 поколений, что ограничило диапазон веществ, на которых могли расти бактерии. Их анализ показал, что этот распад был вызван антагонистической плейотропией , при которой мутации, улучшающие способность расти на глюкозе, снижали или устраняли способность расти на других веществах. [29]Более позднее исследование Лейби и Маркса, в котором использовались более продвинутые методы, показало, что большая часть распада, идентифицированного Купером и Ленски, была экспериментальными артефактами, что потеря неиспользуемых функций была не такой обширной, как предполагалось ранее, и что некоторые неиспользуемые функции были улучшены. Более того, они пришли к выводу, что метаболические потери были вызваны не антагонистической плейотропией, а нейтральным накоплением мутаций в неиспользуемых частях генома, предполагая, что адаптация к простой окружающей среде не обязательно может привести к специализации. [30]

Эволюция сбалансированного полиморфизма и простых экосистем [ править ]

Два различных варианта, S и L, были идентифицированы в популяции, обозначенной Ara-2, в 18000 поколениях на основании их образования малых и больших колоний соответственно. [31] Клоны типов S и L могли стабильно сосуществовать в совместном культивировании друг с другом, что указывает на то, что они занимали различные ниши в популяции. Это было подтверждено открытием, что L-тип имел преимущество во время роста на глюкозе, но что S имел преимущество во время стационарной фазы после того, как глюкоза закончилась. Было обнаружено, что эти два типа изначально эволюционировали до 6000 поколений, а затем сосуществовали после этого. [31]Филогенетический анализ клонов двух типов, выделенных из разных поколений, показал, что типы S и L принадлежали к разным сосуществующим линиям в популяции и могли подвергаться зарождающемуся видообразованию. [32]

Эволюция использования аэробных цитратов в одной популяции [ править ]

Фон [ править ]

Популяция, обозначенная Ara-3 (в центре), более мутная, потому что эта популяция эволюционировала, чтобы использовать цитрат, присутствующий в среде для выращивания. [33]

E. coli обычно не может расти в аэробных условиях на цитрате из-за неспособности экспрессировать переносчик цитрата в присутствии кислорода. [34] Однако E. coli имеет полный цикл лимонной кислоты и, следовательно, метаболизирует цитрат как промежуточный продукт во время аэробного роста других веществ, включая глюкозу. Большинство E. coli может расти анаэробно на цитрате посредством ферментации , если имеется вспомогательный субстрат, такой как глюкоза, для обеспечения восстанавливающей способности. [7] [34] [35] [36] анаэробнойрост возможен благодаря экспрессии трансмембранного гена цитрат-сукцинатного антипортера, citT , который был впервые идентифицирован в 1998 году. Этот ген совместно регулируется с другими генами, участвующими в цитратной ферментации, обнаруженной на опероне cit , который включается только тогда, когда кислород отсутствует. [34] [37]

Неспособность к аэробному росту на цитрате, называемая фенотипом Cit - считается определяющей характеристикой E. coli как вида и одним из ценных средств дифференциации E. coli от патогенной сальмонеллы . Хотя Cit + штаммы E. coli были выделены из экологических и сельскохозяйственных образцов, в каждом таком случае было обнаружено, что этот признак связан с присутствием плазмиды, несущей чужеродный переносчик цитрата. [38] Об одном спонтанном Cit + мутанте E. coli сообщил Холл в 1982 г. [39]Этот мутант был выделен во время продолжительной селекции на рост другого нового вещества в питательной среде, которая также содержала цитрат. Генетический анализ Холла показал, что лежащая в основе мутация была сложной, но в конечном итоге он не смог идентифицировать точные изменения или вовлеченные гены, что привело его к гипотезе об активации загадочного гена-переносчика. [39] Области генома, до которых Холлу удалось сузить локализацию изменений, не соответствуют известному расположению гена citT , идентифицированному 16 лет спустя, а также физиологические характеристики в анализах транспорта мутантов Холла Cit + не совпадают с таковыми. следует ожидать для аэробной экспрессии переносчика CitT. [38] [40]

Cit + развивается в LTEE [ править ]

В 2008 году команда Ленски во главе с Захари Д. Блаунтом сообщила, что способность к аэробному росту на цитрате эволюционировала у одной популяции. Примерно в поколении 33,127 наблюдалось резкое увеличение мутности в популяции, обозначенной как Ara-3. Они обнаружили, что популяция содержала клоны, которые могли расти в аэробных условиях на цитрате (Cit + ). Эта метаболическая способность позволила популяции вырасти в несколько раз больше, чем раньше, из-за большого количества цитрата, присутствующего в среде. Исследование замороженных образцов ископаемых популяций показало, что клоны Cit + могут быть выделены уже в 31 500 поколениях. Cit +было обнаружено, что варианты в популяции обладают рядом генетических маркеров, уникальных для популяции Ara-3; это наблюдение исключало возможность того, что клоны были контаминантами, а не спонтанными мутантами. В серии экспериментов, которые «воспроизводили» ленту эволюции Ara-3 из Cit - клонов, выделенных из образцов, замороженных в различные моменты времени в истории популяции, они продемонстрировали, что способность к аэробному росту на цитрате с большей вероятностью будет повторно развиваться. в подмножестве генетически чистых, эволюционировавших клонов. В этих экспериментах они наблюдали 19 новых независимых экземпляров Cit +повторная эволюция, но только если исходить из клонов, выделенных после 20 000 поколений. Тесты флуктуации показали, что клоны этого поколения, а затем и более поздние, демонстрировали скорость мутации по признаку Cit +, которая была значительно выше, чем у предков. Даже в этих более поздних клонах скорость мутации Cit + была порядка одного появления на триллион клеточных делений. [7]

Ленски и его коллеги пришли к выводу, что эволюция функции Cit + в этой популяции возникла из-за одной или нескольких более ранних, возможно, неадаптивных, «потенцирующих» мутаций, которые увеличили скорость мутации до доступного уровня. Данные свидетельствуют о том, что использование цитрата связано как минимум с двумя мутациями после этих «усиливающих» мутаций. В более общем плане авторы предполагают, что эти результаты указывают, следуя аргументу Стивена Джея Гулда , «что историческая случайность может иметь глубокое и длительное влияние» на ход эволюции. [7] Эти открытия стали рассматриваться как важный пример влияния исторической случайности на эволюцию. [15] [41] [42]

Геномный анализ признака Cit + и его значение для эволюционных инноваций [ править ]

Признак Cit + был актуализирован дупликационной мутацией, которая создала новый регуляторный модуль, поместив копию гена citT , который кодирует цитрат-сукцинатный антипортер, под контроль промотора, который поддерживает экспрессию в аэробных условиях. Эта мутация приводит к экспрессии переносчика CitT в присутствии кислорода, что способствует росту цитрата. [43]

В 2012 году Ленски и его команда сообщили о результатах геномного анализа признака Cit +, который пролил свет на генетическую основу и эволюционную историю этого признака. Исследователи секвенировали полные геномы двадцати девяти клонов, выделенных из различных временных точек в истории популяции Ara-3. Они использовали эти последовательности для реконструкции филогенетической истории популяции; Эта реконструкция показала, что население разделилось на три клады за 20 000 поколений. Cit +варианты эволюционировали в одном из них, который они назвали Clade 3. Клоны, потенцированные в более ранних исследованиях, были распределены между всеми тремя кладами, но были чрезмерно представлены в Clade 3. Это привело исследователей к выводу, что были были по крайней мере две потенцирующие мутации, вовлеченные в эволюцию Cit + . [8]

Исследователи также обнаружили, что все клоны Cit + имели мутации, в которых был дублирован или амплифицирован сегмент ДНК из 2933 пар оснований. Дублированный сегмент содержал ген citT для белка-переносчика цитрата, используемого в анаэробном росте на цитрате. Дупликация является тандемной, и в результате копии расположены лицом к хвосту по отношению друг к другу. Эта новая конфигурация поместила копию ранее молчащего, невыраженного citT под контроль промотора соседнего гена rnk , который управляет экспрессией при наличии кислорода. Этот новый модуль rnk-citT создал новую модель регулирования для citT., активируя экспрессию переносчика цитрата в присутствии кислорода и тем самым обеспечивая аэробный рост цитрата. [8]

Движение этого RNK-КМТТ модуля в геном потенцированного Cit - клон было показано, что достаточно для получения Cit + фенотипа. Однако исходный фенотип Cit +, обусловленный дупликацией, был очень слабым и обеспечивал только ~ 1% -ное улучшение пригодности. Исследователи обнаружили, что количество копий модуля rnk-citT необходимо увеличить, чтобы усилить свойство Cit + в достаточной степени, чтобы бактерии могли хорошо расти на цитрате. Дальнейшие мутации после того, как бактерии Cit + стали доминирующими в популяции, продолжали накапливать улучшенный рост цитрата.

Исследователи пришли к выводу, что эволюция признака Cit + происходила в трех различных фазах: (1) накапливались мутации, которые увеличивали скорость мутации в Cit + , (2) сам признак проявлялся в слабой форме и (3) признак был улучшен более поздними мутациями. Blount et al. предположил, что эта модель может быть типичной для того, как в целом развиваются новые черты, и предложил трехступенчатую модель эволюционных инноваций:

  1. Потенциация : развивается генетический фон, при котором признак становится мутационно доступным, что делает возможной эволюцию признака.
  2. Актуализация : происходит мутация, которая производит признак, делая его проявленным, хотя, вероятно, в слабой форме.
  3. Уточнение : как только признак существует, если он обеспечивает селективное преимущество, накапливаются мутации, которые улучшают признак, делая его эффективным. Эта фаза является открытой и будет продолжаться до тех пор, пока возникают уточняющие мутации, а признак остается полезным. [8] [15]

Эта модель получила признание в эволюционной биологии. В 2015 году палеонтолог Дуглас Эрвин предложил модификацию четырехступенчатой ​​модели, чтобы лучше отразить возможное различие между эволюционной новизной и эволюционной инновацией, а также подчеркнуть важность условий окружающей среды: потенцирование, создание новых фенотипов (актуализация), адаптивное уточнение и эксплуатация (преобразование новизны в нововведение, поскольку это становится важным для экологического становления организмов-обладателей). [44]

Исследование потенцирования [ править ]

В 2014 году исследовательская группа под руководством Эрика Квандта в лаборатории Джеффри Баррика в Техасском университете в Остине описала применение новой техники, называемой рекурсивной рекомбинацией и секвенированием в масштабе всего генома (REGRES), для выявления потенцирующих мутаций среди 70 мутаций, присутствующих в Ара. -3 родословной, развившей Cit + . [45] Этот метод используется несколько раундов процесса , в котором F плазмидного на основе конъюгации между 33000 поколением Cit + клоном, CZB154, и Cit - основополагающий клоном Ltée для продувки мутаций не требуется ни для проявления слабой или сильной формы признака Cit + , который они называют Cit ++. Они обнаружили, что модуля rnk-citT, ответственного за фенотипический переход на Cit +, было достаточно, чтобы вызвать слабый фенотип Cit + у предка. Они также идентифицировали мутацию, которая произошла в линии, ведущей к CZB154, после первоначальной эволюции Cit +, которая дала сильный фенотип Cit ++ у предка, при отсутствии какой-либо мутации, кроме модуля rnk-citT . Эта мутация, обнаруженная в регуляторной области гена dctA , вызвала значительное увеличение экспрессии транспортера DctA , который импортирует C 4-дикарбоксилаты в клетку. Они обнаружили, что эта повышенная экспрессия DctA позволяет клеткам Cit + повторно поглощать сукцинат , малат и фумарат, высвобождаемые в среду переносчиком CitT во время импорта цитрата. Они идентифицировали аналогичную мутацию в клонах Cit ++ в популяции Ara-3, которая увеличивала экспрессию DctA за счет восстановления функции гена, который ее регулирует, dcuS , который был деактивирован в предковом клоне. Quandt et al. пришли к выводу, что мутация dctA участвует не в потенцировании, а в уточнении. Это заставило их предположить, что эволюция Cit +в популяции Ara-3, возможно, зависели от генетического фона и популяционной специфики экологии, которая позволяла ранним, слабым вариантам Cit + сохраняться в популяции достаточно долго для возникновения уточняющих мутаций и обеспечения роста цитрата, достаточно сильного, чтобы обеспечить значительная польза для фитнеса.

Позже Квандт и его коллеги опубликовали результаты, окончательно идентифицирующие мутацию, которая действительно усиливала эволюцию Cit + . [46] Эта мутация произошла в гене gltA , который кодирует цитрат-синтазу , фермент, участвующий в потоке углерода в цикл лимонной кислоты . Он имел эффект увеличения активности цитрат-синтазы, и они показали, что он позволяет улучшить рост ацетата . Более того, с мутацией gltA модуль rnk-citT, который вызывает признак Cit +, имеет нейтральный или незначительно благоприятный эффект приспособленности, тогда как без него модуль был бы сильно вредным. gltAмутация, следовательно, по-видимому, позволила ранним, слабым вариантам Cit + сохраняться в популяции до тех пор, пока не могли произойти более поздние уточняющие мутации, в соответствии с их более ранними выводами. После развития сильного фенотипа Cit ++ повышенная активность цитрат-синтазы стала пагубной. Исследователи обнаружили, что более поздние мутации в gltA противодействовали первой мутации, снижая активность цитрат-синтазы и дополнительно улучшая рост цитрата. Они пришли к выводу, что серия мутаций в gltA сначала усиливала , а затем улучшала рост цитрата. Они также предположили, что родословная, в которой Cit +arose, возможно, занял нишу в Ara-3, основанную на росте на ацетате, и что потенцирующие мутации, которые привели к эволюции Cit + в Ara-3, изначально были адаптивными для использования ацетата.

Исследование пост-Cit + экологии и устойчивого разнообразия [ править ]

Небольшая субпопуляция Cit - клеток, неспособных расти на цитрате и принадлежащих к отдельной кладе, сохранялась в популяции после того, как клетки Cit + стали доминирующими. Ранние результаты показали, что это разнообразие частично объясняется тем, что Cit - клетки лучше растут на глюкозе в среде. [7] Тернер и др. позже обнаружили, что еще одним фактором сосуществования является то, что Cit - клетки развили способность перекрестно питаться большинством Cit + . Они показали, что клетки Cit + выделяют сукцинат , малат и фумарат.во время роста на цитрате, поскольку переносчик CitT выкачивает эти вещества из клетки, накачивая цитрат в клетку. Cit - клетки быстро развили способность расти на этих веществах из-за мутации, которая восстанавливала экспрессию соответствующего белка-переносчика, который молчал у предка. [47]

Cit - субпопуляции в конечном итоге пошли вымершие в популяции между 43500 и 44000 поколениями. Было показано, что это вымирание не произошло из-за того, что большинство Cit + эволюционировало, чтобы вторгнуться в нишу, занимаемую Cit - меньшинством. Действительно, Cit - клоны могли вторгаться в популяции Cit + после вымирания. Более того, в эксперименте, в котором они перезапустили двадцать повторений популяции Ara-3 из образца, замороженного за 500 поколений до исчезновения, Turner et al. обнаружил, что Cit -субпопуляция не исчезла ни в одной из повторностей после 500 поколений эволюции. Одна из этих копий продолжалась 2500 поколений, в течение которых Cit - продолжал сосуществовать. Исследователи пришли к выводу, что исчезновение Cit - произошло из-за какого-то неизвестного «редкого нарушения окружающей среды», аналогичного тому, которое может повлиять на естественные популяции. [48] Последняя реплика была интегрирована в основной эксперимент LTEE, став тринадцатой популяцией, Ara-7. [49]

Критика результатов использования цитрата [ править ]

Другие исследователи экспериментировали с эволюцией аэробной E. coli, использующей цитрат . Дастин Ван Hofwegen и др., Работающий в лаборатории разумного замысла инициатор Скотта Миннич , смог выделить 46 независимых цитрат-использование мутантов E.coli , всего от 12 до 100 поколений с использованием высоко пролонгированное выделения при голодании, в течение которого бактерия будет быстрее отбирать больше мутаций. [50] В своем исследовании секвенирование геномной ДНК выявило амплификацию citT и dctA.loci и перестройка ДНК были тем же классом мутаций, который был идентифицирован в эксперименте Ричарда Ленски и его команды. Они пришли к выводу, что редкость мутанта, использующего цитрат, в исследованиях Ленски, скорее всего, была результатом избирательных экспериментальных условий, используемых его командой, а не уникальным событием эволюционного видообразования. [50]

Джон Рот и Софи Майснье-Патен рассмотрели подходы как к отложенным мутациям группы Ленски, так и к быстрым мутациям группы Ван Хофвегеса на E. coli . Они утверждают, что обе команды испытали одну и ту же последовательность потенцирования, актуализации и уточнения, приведшую к аналогичным вариантам Cit + . [51] По их словам, период менее суток, в течение которого использование цитрата будет находиться под отбором, с последующим 100-кратным разбавлением и периодом роста глюкозы, который не может быть выбран для использования цитрата, в конечном итоге снизил вероятность E. coli способна накапливать ранние адаптивные мутации от одного периода отбора к другому. [51]С другой стороны, группа Ван Хофвегена предусмотрела непрерывный период отбора в 7 дней, что привело к более быстрому развитию E. coli, использующей цитрат . Рот и Майнье-Патен предполагают, что серийное разведение E. coli и короткий период отбора для использования цитрата в условиях LTEE постоянно препятствовали достижению каждым поколением E. coli следующих стадий аэробного использования цитрата. [51]

В ответ Блаунт и Ленски признают, что проблема не в экспериментах или данных, а в интерпретациях, сделанных Ван Хофвегеном и др. и Мезнье-Патен и Рот. [52] Ленски отмечает, что быстрое развитие Cit + не обязательно было неожиданным, поскольку его команда также смогла произвести несколько мутантов Cit + за несколько недель во время экспериментов по воспроизведению, о которых они сообщили в статье 2008 года, в которой его команда впервые описала эволюцию. использования аэробных цитратов в LTEE. [53] Кроме того, Ленски критикует описание Ван Хофвегена и др. Начальной эволюции Cit +.как «событие видообразования», указав, что LTEE не был разработан для изоляции мутантов, использующих цитрат, или для борьбы с видообразованием, поскольку в своей статье 2008 года они заявили, что «переход в Cit + был только первым шагом на пути к возможному видообразованию» , и, таким образом, не предполагал, что мутанты Cit + были другим видом, но что видообразование могло быть конечным следствием эволюции признака. [53] Ленски признает, что ученые, в том числе он и его команда, часто используют сокращенный язык и жаргон при обсуждении видообразования вместо того, чтобы писать более тщательно и точно по этому вопросу, и это может вызвать проблемы. [53] Однако он отмечает, что видообразование обычно рассматривается биологами-эволюционистами как процесс, а не как событие.[53] Он также критикует Ван Хофвегена и др. и Рот и Майснье-Патен за постулирование «ложных дихотомий» в отношении сложной концепции исторической случайности. Он утверждает, что историческая случайность означает, что история имеет значение, и что в их статье 2008 года представлены данные, которые показали, что эволюция Cit + в LTEE зависела от мутаций, которые накапливались ранее. Он заключает, что «... историческая случайность была задействована и продемонстрирована в конкретном контексте, а именно в контексте появления Cit + в LTEE - это не означает, что появление Cit +исторически обусловлен в других экспериментальных контекстах, и в этом отношении другие изменения в LTEE исторически случайны - на самом деле, некоторые другие эволюционные изменения в LTEE были в высшей степени предсказуемыми и не (или, по крайней мере, не очевидно) зависели от предыдущих мутаций в населения ". [53]

См. Также [ править ]

  • Экспериментальная эволюция
  • Долгосрочный эксперимент

Ссылки [ править ]

  1. ^ Pennisi, Элизабет (14 ноября 2013). «Человек, разливший в бутылки эволюцию». Наука . 342 (6160): 790–793. Bibcode : 2013Sci ... 342..790P . DOI : 10.1126 / science.342.6160.790 . PMID  24233702 .
  2. ^ a b Ленски, Ричард Э. (2000). «Источник основного напряжения» . Домашняя страница Ричарда Э. Ленски . Университет штата Мичиган . Проверено 18 июня 2008 .
  3. ^ «Ричард Э. Ленски (@RELenski) | Twitter» . twitter.com . Проверено 2 июля 2016 .
  4. ^ "Некоторые морщины во времени" . Возвращение к Теллиамеду . 2017-03-13 . Проверено 13 марта 2017 .
  5. ^ bewilderbeast (24 февраля 2020 г.). «Мы прерываем этот неприятный вирус хорошими новостями о бактериях» . Возвращение к Теллиамеду . Проверено 6 августа 2020 .
  6. ^ «Мы прерываем этот эксперимент» . Возвращение к Теллиамеду . 2020-03-09 . Проверено 6 августа 2020 .
  7. ^ a b c d e f Блаунт, Захари Д.; Borland, Christina Z .; Ленски, Ричард Э. (2008). «Историческая случайность и эволюция ключевой инновации в экспериментальной популяции Escherichia coli » . Труды Национальной академии наук . 105 (23): 7899–906. Bibcode : 2008PNAS..105.7899B . DOI : 10.1073 / pnas.0803151105 . JSTOR 25462703 . PMC 2430337 . PMID 18524956 .   
  8. ^ а б в г д Блаунт З.Д., Баррик Дж. Э., Дэвидсон С. Дж., Ленски Р. Э. (27.09.2012). «Геномный анализ ключевой инновации в экспериментальной популяции Escherichia coli » . Природа . 489 (7417): 513–518. Bibcode : 2012Natur.489..513B . DOI : 10.1038 / nature11514 . PMC 3461117 . PMID 22992527 .  
  9. ^ «Мы прерываем этот эксперимент» . Возвращение к Теллиамеду . 2020-03-09 . Проверено 9 марта 2020 .
  10. ^ а б «Еще пять лет» . Возвращение к Теллиамеду . 2020-05-04 . Проверено 9 мая 2020 .
  11. ^ a b c d e Ленски, Ричард Э. (2010). «Фенотипическая и геномная эволюция во время эксперимента поколения 20000 с бактерией Escherichia coli » . Селекция растений . С. 225–265. DOI : 10.1002 / 9780470650288.ch8 . ISBN 978-0-471-46892-9.
  12. ^ Фокс, Джереми У .; Ленски, Ричард Э. (23 июня 2015 г.). «Отсюда в вечность - теория и практика действительно длительного эксперимента» . PLOS Биология . 13 (6): e1002185. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1002185 . PMC 4477892 . PMID 26102073 .  
  13. ↑ Blount, Zachary D (25 марта 2015 г.). «Неисчерпаемый потенциал кишечной палочки» . eLife . 4 . DOI : 10.7554 / eLife.05826 . PMC 4373459 . PMID 25807083 .  
  14. ^ a b «Жидкая среда DM25» . myxo.css.msu.edu . Проверено 24 мая 2016 .
  15. ^ a b c d e Блаунт, Захари Д. (август 2016 г.). «Пример эволюционного непредвиденного обстоятельства» . Исследования по истории и философии науки Часть C: Исследования по истории и философии биологических и биомедицинских наук . 58 : 82–92. DOI : 10.1016 / j.shpsc.2015.12.007 . PMID 26787098 . 
  16. ^ Фицджеральд, Джордж; Уильямс, Лютер С. (апрель 1975 г.). «Модифицированная процедура обогащения пенициллина для отбора бактериальных мутантов» . Журнал бактериологии . 122 (1): 345–346. DOI : 10.1128 / JB.122.1.345-346.1975 . PMC 235679 . PMID 1091629 .  
  17. ^ Wagegg, Вт; Браун, V (январь 1981 г.). «Транспорт цитрата железа в Escherichia coli требует белка рецептора внешней мембраны fecA» . Журнал бактериологии . 145 (1): 156–163. DOI : 10.1128 / JB.145.1.156-163.1981 . PMC 217256 . PMID 7007312 .  
  18. ^ Ленски, Ричард Э. (2000). «Обзор эксперимента долгосрочной эволюции E. coli » . Домашняя страница Ричарда Э. Ленски . Университет штата Мичиган . Проверено 18 июня 2008 .
  19. ^ "Фото" . Blount Lab . Проверено 28 мая 2016 .
  20. ^ «Обзор эксперимента долгосрочной эволюции E. coli » . myxo.css.msu.edu . Проверено 28 мая 2016 .
  21. ^ Мудрый, MJ; Ribeck, N .; Ленский, Р. Э. (14 ноября 2013 г.). «Долгосрочная динамика адаптации бесполых популяций». Наука . 342 (6164): 1364–1367. Bibcode : 2013Sci ... 342.1364W . DOI : 10.1126 / science.1243357 . PMID 24231808 . S2CID 15341707 .  
  22. ^ Шарпинг, Натаниэль (2015-12-16). «Могла ли эволюция когда-либо привести к« совершенному »организму?» . Откройте для себя журнал . Архивировано из оригинала 18 декабря 2015 года . Проверено 18 декабря 2015 года .
  23. ^ Ленски, Ричард Э; и другие. (2015). «Устойчивый прирост физической формы и изменчивость траекторий пригодности в долгосрочном эксперименте по эволюции Escherichia coli » . Труды Королевского общества B: биологические науки . 282 (1821): 20152292. DOI : 10.1098 / rspb.2015.2292 . PMC 4707762 . PMID 26674951 .  
  24. ^ Kaznatcheev, Артем (май 2019). «Вычислительная сложность как крайнее ограничение эволюции» . Генетика . 212 (1): 245–265. DOI : 10.1534 / genetics.119.302000 . PMC 6499524 . PMID 30833289 .  
  25. ^ Sniegowski, Paul D .; Герриш, Филип Дж .; Ленски, Ричард Э. (июнь 1997 г.). «Эволюция высоких скоростей мутаций в экспериментальных популяциях кишечной палочки». Природа . 387 (6634): 703–705. Bibcode : 1997Natur.387..703S . DOI : 10.1038 / 42701 . PMID 9192894 . S2CID 4351382 .  
  26. ^ Баррик, JE; Ленский, Р. Э. (23 сентября 2009 г.). «Общегеномное мутационное разнообразие в развивающейся популяции Escherichia coli» . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 74 : 119–129. DOI : 10.1101 / sqb.2009.74.018 . PMC 2890043 . PMID 19776167 .  
  27. ^ Баррик, Джеффри Э .; Ю, Донг Су; Юн, Сон Хо; Чжон, Хэён; О, Тэ Гван; Шнайдер, Доминик; Ленски, Ричард Э .; Ким, Джихён Ф. (18 октября 2009 г.). «Эволюция генома и адаптация в длительном эксперименте с Escherichia coli». Природа . 461 (7268): 1243–1247. Bibcode : 2009Natur.461.1243B . DOI : 10,1038 / природа08480 . PMID 19838166 . S2CID 4330305 .  
  28. ^ a b Филипп, Надеж; Пелоси, Людовик; Ленски, Ричард Э .; Шнайдер, Доминик (2008). «Эволюция концентрации пенициллин-связывающего белка 2 и формы клеток во время длительного эксперимента с Escherichia coli » . Журнал бактериологии . 191 (3): 909–21. DOI : 10.1128 / JB.01419-08 . PMC 2632098 . PMID 19047356 .  
  29. ^ Купер, Вон С .; Ленски, Ричард Э. (октябрь 2000 г.). «Популяционная генетика экологической специализации в эволюционирующих популяциях Escherichia coli». Природа . 407 (6805): 736–739. Bibcode : 2000Natur.407..736C . DOI : 10.1038 / 35037572 . PMID 11048718 . S2CID 205009743 .  
  30. ^ Лейби, Николас; Маркс, Кристофер Дж .; Моран, Нэнси А. (18 февраля 2014 г.). «Метаболическая эрозия, в первую очередь за счет накопления мутаций, а не компромиссов, приводит к ограниченному развитию специфичности субстрата у Escherichia coli» . PLOS Биология . 12 (2): e1001789. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1001789 . PMC 3928024 . PMID 24558347 .  
  31. ^ a b Rozen, Daniel E .; Ленски, Ричард Э. (январь 2000 г.). «Долгосрочная экспериментальная эволюция Escherichia coli . VIII. Динамика сбалансированного полиморфизма». Американский натуралист . 155 (1): 24–35. DOI : 10.1086 / 303299 . PMID 10657174 . 
  32. ↑ Rozen, Daniel E .; Шнайдер, Доминик; Ленски, Ричард Э. (27 июня 2005 г.). "Долгосрочная экспериментальная эволюция Escherichia coli. XIII. Филогенетическая история сбалансированного полиморфизма". Журнал молекулярной эволюции . 61 (2): 171–180. Bibcode : 2005JMolE..61..171R . DOI : 10.1007 / s00239-004-0322-2 . PMID 15999245 . S2CID 6970967 .  
  33. ^ «Об эволюции использования цитрата» . Возвращение к Теллиамеду . 2016-02-20 . Проверено 26 мая 2016 .
  34. ^ a b c «Клеточная биология: использование цитрата» . EVO-ED . Университет Мичигана.
  35. ^ Лара, FJS; Стокс, Дж. Л. (1952). «Окисление цитрата кишечной палочкой » . Журнал бактериологии . 63 (3): 415–420. DOI : 10.1128 / JB.63.3.415-420.1952 . PMC 169284 . PMID 14927574 .  
  36. ^ Lütgens, M .; Готшалк, Г. (1 июля 1980 г.). «Почему для анаэробного роста Escherichia coli на цитрате требуется совместный субстрат». Микробиология . 119 (1): 63–70. DOI : 10.1099 / 00221287-119-1-63 . PMID 6997437 . 
  37. ↑ Pos, Клаас Мартинус; Димрот, Питер; Ботт, Майкл (август 1998). " Citrate Carrier CitT Escherichia coli : член нового семейства эубактериальных переносчиков, связанных с транслокатором 2-оксоглутарат / малат из хлоропластов шпината" . Журнал бактериологии . 180 (16): 4160–4165. DOI : 10.1128 / JB.180.16.4160-4165.1998 . PMC 107412 . PMID 9696764 .  
  38. ^ а б Рейнольдс, CH; Серебро, S (декабрь 1983 г.). «Использование цитрата Escherichia coli: системы, кодируемые плазмидами и хромосомами» . Журнал бактериологии . 156 (3): 1019–1024. DOI : 10.1128 / JB.156.3.1019-1024.1983 . PMC 217945 . PMID 6358185 .  
  39. ^ а б Холл, Б.Г. (июль 1982 г.). «Хромосомная мутация для утилизации цитрата Escherichia coli K-12» . Журнал бактериологии . 151 (1): 269–273. DOI : 10.1128 / JB.151.1.269-273.1982 . PMC 220237 . PMID 7045076 .  
  40. ^ " Escherichia coli K-12 substr. MG1655 citT" . ecocyc.org . Проверено 23 мая 2016 .
  41. Перейти ↑ Desjardins, Eric (2011-01-01). «Историчность и экспериментальная эволюция» . Биология и философия . 26 (3): 339–364. DOI : 10.1007 / s10539-011-9256-4 . S2CID 83908986 . 
  42. ^ Битти, Джон; Каррера, Изабель (01.01.2011). «Когда то, что должно было случиться, не произошло: история, шанс, повествование, эволюция» . Журнал философии истории . 5 (3): 471–495. DOI : 10.1163 / 187226311x599916 .
  43. ^ "Фото" . Blount Lab . Проверено 6 октября 2017 .
  44. ^ Эрвин, Дуглас Х. (октябрь 2015 г.). «Новинки и инновации в истории жизни» . Текущая биология . 25 (19): R930 – R940. DOI : 10.1016 / j.cub.2015.08.019 . PMID 26439356 . 
  45. ^ Quandt, Эрик М .; Deatherage, Daniel E .; Эллингтон, Эндрю Д.; Георгиу, Джордж; Баррик, Джеффри Э. (11 февраля 2014 г.). «Рекурсивная рекомбинация и секвенирование в масштабе всего генома показывает ключевой шаг усовершенствования в эволюции метаболических инноваций в Escherichia coli » . Труды Национальной академии наук . 111 (6): 2217–2222. Bibcode : 2014PNAS..111.2217Q . DOI : 10.1073 / pnas.1314561111 . PMC 3926077 . PMID 24379390 .  
  46. ^ Квандт, Эрик М; Голлихар, Джимми; Блаунт, Захари Д.; Эллингтон, Эндрю Д.; Георгиу, Джордж; Баррик, Джеффри Э. (14 октября 2015 г.). «Точная настройка потока цитрат-синтазы усиливает и совершенствует метаболические инновации в эволюционном эксперименте Ленски» . eLife . 4 . DOI : 10.7554 / eLife.09696 . PMC 4718724 . PMID 26465114 .  
  47. ^ Тернер, Кэролайн Б .; Блаунт, Захари Д.; Митчелл, Дэниел Х .; Ленски, Ричард Э. (2015-06-17). «Эволюция и сосуществование в ответ на ключевое новшество в долгосрочном эксперименте по эволюции Escherichia coli ». bioRxiv 10.1101 / 020958 . 
  48. ^ Saey, Тина Hesman (2015-09-09). «Вымирание в лабораторной бутылке было счастливой случайностью, как показывает эксперимент» . Новости науки . Проверено 4 июня 2016 .
  49. ^ Тернер, Кэролайн Б .; Блаунт, Захари Д.; Ленски, Ричард Э .; Кохан, Фредерик М. (18 ноября 2015 г.). «Воспроизведение эволюции для проверки причины исчезновения одного экотипа в экспериментально развитой популяции» . PLOS ONE . 10 (11): e0142050. Bibcode : 2015PLoSO..1042050T . DOI : 10.1371 / journal.pone.0142050 . PMC 4651540 . PMID 26581098 .  
  50. ^ а б Ван Хофвеген, Дастин Дж .; Ховде, Кэролайн Дж .; Минних, Скотт А .; Силхави, Т.Дж. (1 апреля 2016 г.). «Быстрое развитие использования цитрата Escherichia coli путем прямого отбора требует citT и dctA» . Журнал бактериологии . 198 (7): 1022–1034. DOI : 10.1128 / JB.00831-15 . PMC 4800869 . PMID 26833416 .  
  51. ^ a b c Рот, Джон Р .; Maisnier-Patin, Софи; Силхави, Т.Дж. (1 апреля 2016 г.). «Переосмысление долгосрочных эволюционных экспериментов: отсроченная адаптация - пример исторической случайности или следствие прерывистого отбора?» . Журнал бактериологии . 198 (7): 1009–1012. DOI : 10.1128 / JB.00110-16 . PMC 4800865 . PMID 26883821 .  
  52. ^ «Подобные данные, разные выводы | The Scientist Magazine®» . Ученый . Проверено 21 мая 2016 .
  53. ^ a b c d e Ленски, Ричард (20 февраля 2016 г.). «Об эволюции использования цитрата» . Возвращение к Теллиамеду .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Докинз, Ричард (2009). «Сорок пять тысяч поколений эволюции в лаборатории» . Величайшее шоу на Земле: свидетельства эволюции . Нью-Йорк: Свободная пресса. С.  116–33 . ISBN 978-1-4165-9478-9.
  • Джон Тиммер (17 ноября 2013 г.). «По прошествии 50 000 поколений бактерии по-прежнему становятся более приспособленными» . Ars Technica .

Внешние ссылки [ править ]

  • Сайт проекта долгосрочной экспериментальной эволюции E. coli
  • Бактерии совершили серьезный эволюционный сдвиг в лаборатории Боб Холмс, новый ученый, 9 июня 2008 г.
  • Эволюция: прошлое, настоящее и будущее Ричард Ленски
  • Список публикаций по эксперименту
  • Публикация в Интернете статьи о быстрой эволюции использования цитратов