Накопления мутации (МА) Эксперимент генетический эксперимент , в котором выделяют и инбредных линий организмов (так называемые MA линии) поддерживаются таким образом, что эффект естественного отбора сводится к минимуму, с целью количественной оценки скорости , при которой спонтанные мутации (мутации, не вызванные экзогенными мутагенами ) встречаются в исследуемом организме. Частота спонтанных мутаций может быть непосредственно оценена с использованием молекулярных методов, таких как секвенирование ДНК , или косвенно оценена с помощью фенотипических анализов (наблюдая, как фенотип организма изменяется по мере накопления мутаций). [1]
Самые ранние эксперименты по накоплению мутаций были выполнены американским генетиком Германом Джозефом Мюллером в 1920-х годах с использованием Drosophila melanogaster . [1]
Принципы и процедуры
Все линии МА, используемые в эксперименте МА, выведены от одного общего предка и часто размножаются путем спуска от одного потомка, когда одно потомство выбирается случайным образом для создания следующего поколения организмов. [2] Это служит для предотвращения потери мутантных аллелей при половом размножении . Примечательно, что потомство от одного потомства возможно только в том случае, если изучаемый организм способен к бесполому размножению или самооплодотворению .
Контрольная линия поддерживается параллельно линиям MA и в тех же условиях, за исключением того, что организмам разрешено воспроизводиться половым путем (они не ограничиваются потомством по одному потомству). Предположение, лежащее в основе этой процедуры, состоит в том, что более крупная, размножающаяся половым путем популяция контрольной линии приведет к тому, что все спонтанные мутации будут «отсеяны» половым размножением. [1] Мутации, возникающие в линиях МА, сначала гетерозиготны, а в последующих поколениях могут фиксироваться или теряться случайным образом. [1] Таким образом, контрольная линия будет относительно свободна от мутаций, и ее можно будет сравнить с линиями МА, чтобы оценить влияние накопленных в ней мутаций. Как линии МА, так и контрольная линия поддерживаются в условиях ослабленного естественного отбора, чтобы минимизировать напряжение, которое естественный отбор оказывает на мутантные организмы (которые могут иметь пониженную приспособленность). [3] Например, организмы в эксперименте МА могут содержаться в идеальных условиях окружающей среды и обеспечиваться избытком питательных веществ.
Эксперименты по накоплению мутаций занимают много времени и трудозатратны из-за требования, чтобы несколько линий МА поднимались параллельно друг другу в течение нескольких поколений в тщательно поддерживаемых условиях окружающей среды.
Оценка скорости мутации
Фенотипические анализы могут быть выполнены на организмах в пределах каждой линии МА, чтобы определить степень, в которой накопленные мутации повлияли на различные фенотипические признаки организма. Измеренные изменения фенотипа от поколения к поколению можно использовать для косвенной оценки скорости мутации этого организма. [1] С появлением полногеномного секвенирования частоту мутаций в линии МА можно напрямую оценить путем секвенирования линии МА и сравнения ее с данными о последовательности для контрольной линии (т. Е. Организма дикого типа ). [4]
Исторически сложилось так, что большинство экспериментов МА оценивали частоту мутаций с помощью фенотипического анализа для измерения изменения значения признака фенотипа от поколения к поколению. [1] Однако правомерность этого подхода основывается на нескольких предположениях: поскольку средняя мутация считается слегка вредной, [5] предполагается, что накопленные мутации приведут к постепенному снижению жизнеспособности организма (т. Е. мутаций на жизнеспособность организма будет однонаправленным). Также предполагается, что контрольная линия будет свободна от мутаций: поскольку организмы внутри контрольной линии способны беспрепятственно размножаться половым путем, считается, что большинство мутаций, возникающих у особей, будут относительно быстро утрачены во время полового размножения. [1]
Более того, поскольку организмы в эксперименте МА выращиваются при ослабленном естественном отборе, предполагается, что все мутации, которые возникают, возникли случайным образом, фиксируются или теряются случайным образом в отсутствие какого-либо избирательного давления со стороны окружающей среды. [1]
Типичный эксперимент МА
Эксперимент по накоплению мутаций, проведенный Рут Шоу и его коллегами, служит хорошим примером типичного эксперимента МА: группа стремилась измерить влияние спонтанных мутаций на репродуктивные признаки Arabidopsis thaliana . A.thaliana - идеальный кандидат для эксперимента МА, поскольку он способен к самооплодотворению, имеет относительно короткий жизненный цикл (около 10 недель) и является хорошо изученным модельным организмом в биологии и генетике растений. Шоу и его коллеги создали 120 линий A.thaliana и продвинули каждую линию на 17 поколений путем спуска по одному потомству: каждое поколение размножалось одним человеком, случайно выбранным из ряда посеянных самоопыляющихся семян. Репродуктивные признаки, измеренные в рамках фенотипического анализа, включали количество семян на плод, количество плодов и репродуктивную массу (общую массу плодов и семян одного растения). Группа обнаружила, что каждый признак значительно различается между линиями МА, предполагая, что в некоторых линиях накопились мутации. [6]
МА эксперименты на облигатных размножающихся половым путем организмах
Одноплодное потомство возможно только в том случае, если изучаемый организм способен к бесполому размножению или самооплодотворению. В случаях, когда организм способен к половому размножению (например, Drosophila melanogaster, вид которого использовался во многих ранних экспериментах МА) [1], используются организмы с балансирующими хромосомами .
В экспериментах МА с участием облигатно размножающихся половым путем видов, таких как дрозофила, мутации накапливаются только на одной из пары гомологичных хромосом. Другая гомологичная хромосома - это модифицированная так называемая балансирующая хромосома. Балансирующие хромосомы содержат значительную инверсию относительно своего гомолога, что служит для предотвращения рекомбинации балансирующей хромосомы с ее гомологом во время мейоза. Кроме того, балансирующая хромосома может содержать ряд мутаций. Хотя точные мутации могут различаться, важно, чтобы они достигли двух целей. Во-первых, мутации должны создавать физически видимый фенотип у гетерозиготных организмов. Это позволяет легко идентифицировать организмы, несущие балансировщик и немодифицированную хромосому (организмы, которые идеально подходят для эксперимента МА). Во-вторых, мутация (и) также должна быть гомозиготной летальной , чтобы любой организм, унаследовавший две балансирующие хромосомы (то есть организм, бесполезный для эксперимента МА), не выжил. [7]
Используя эту систему, часть потомства, созданного половым размножением, унаследует балансирующую хромосому и ее гомолог. Этот гомолог передается из поколения в поколение без нарушения его мутаций в результате рекомбинации во время полового размножения, что позволяет ему правильно накапливать мутации.
Значимость
МА-эксперименты позволяют исследователям изучать скорость и свойства новых мутаций. Поскольку мутации являются основным источником генетического разнообразия всех живых организмов, исследователи заинтересованы в том, чтобы знать, как часто возникают мутации, и в понимании фенотипического воздействия на вновь возникшие мутации, чтобы лучше понять закономерности, лежащие в основе адаптации и эволюции. [1]
Полученные оценки мутационных параметров
Эксперименты по накоплению мутаций являются важным средством оценки мутационных параметров. Как следует из названия, эти параметры определяют скорость, с которой различные типы мутаций происходят в данном организме. Их оценка важна, потому что мутации являются основным источником генетической изменчивости, а также участвуют в патогенезе многих распространенных заболеваний. [8] Таким образом, понимание того, как часто они возникают, а также того, какие последствия они могут повлечь, если они действительно возникнут, может дать существенное понимание этих проблем. Частота мутаций в ядерном геноме довольно значительно варьируется у разных видов, в то время как в митохондриальном геноме она гораздо более последовательна, причем большинство оценок этого последнего параметра у одноклеточных и многоклеточных эукариот колеблется от 0,76 до 1,6 x 10-7 мутаций на сайт на поколение. . [9] Поскольку эти параметры были установлены только для небольшого числа видов из-за того, насколько трудоемким может быть этот подход, значительный объем работы этого типа был выполнен на различных модельных организмах .
Так , например, в ядерном геноме от дрозофилы , в одном исследовании помещает скорость одной нуклеотидной мутации на уровне 3,5 × 10 -9 мутации каждый сайта на поколение, [10] в то время как другое исследование получено значение 5,8 × 10 -9 мутаций на сайт на поколение по одному и тому же параметру. [11] Оценки скорости мутаций митохондриального генома D. melanogaster, как правило, в ~ 10 раз выше, чем у ядерного генома, с одной оценкой, составляющей 6,2 x 10 -8 мутаций на сайт на поколение. [12] Частота появления вредных мутаций на поколение (Ud) может быть получена умножением среднего количества мутаций на поколение на долю мутаций, которые, как ожидается, будут вредными для данного вида. Однако его также можно оценить с помощью анализов приспособленности с использованием линий МА известного генотипа. [11] У Drosophila melanogaster в одном исследовании было установлено, что значение этого параметра составляет 1,2 вредных мутации на диплоидный геном на поколение [11], что близко соответствует среднему значению этого параметра для этого вида во всех исследованиях, проведенных по этому вопросу с 1999 г. . [13] Однако предполагаемые значения Ud, полученные с помощью аналогичных исследований, основанных на накоплении мутаций, значительно различались, при этом по некоторым оценкам они составляли всего 0,02 вредных мутации на диплоидный геном на поколение, что не намного превышает предполагаемую летальную мутацию. скорость 0,01 мутации на поколение. [13] Такие нехарактерно низкие значения обычно получаются в исследованиях, в которых мутации классифицируются как вредные или нет, путем скрининга на предмет количественного снижения жизнеспособности. Это связано с тем, что в этих исследованиях не учитывается подавляющее большинство вредных мутаций, общее влияние которых на жизнеспособность слишком мало, чтобы его можно было наблюдать с помощью таких анализов. [13] [11] Более высокие значения Ud (> 1), которые больше соответствуют текущему научному консенсусу относительно оценки этого параметра у D. melanogaster, предполагают, что отбор против этих вредных мутаций может играть значительную роль в формировании паттернов генетической изменчивости. в геноме, а также в поддержании отбора на рекомбинацию и половое размножение. [11]
Для Caenorhabditis elegans , нематоды, которая является одним из наиболее часто используемых модельных организмов в исследованиях молекулярной биологии и биологии развития , одна оценка частоты мутаций ядерного генома составляет 2,1 x 10 -8 мутаций на сайт на поколение. [14] В 1997 году прямая оценка Ud внутри вида составляла 0,0026 вредных мутаций на поколение, что на два порядка меньше, чем предыдущие косвенные оценки. [15] Согласно более новой оценке, основанной на лабораторных анализах пригодности линий МА, этот параметр составляет 0,015 вредных мутаций на поколение. [14] Однако, как упоминалось ранее, такие анализы могут упускать из виду мутации, которые вызывают умеренные негативные последствия. Считается, что они представляют подавляющее большинство вредных мутаций и, возможно, даже большинство всех мутаций внутри этого вида. [14] Авторы также отметили, что вставки являются преобладающим типом мутации, наблюдаемой в исследованиях МА с использованием C. elegans. [14] Частота митохондриальных мутаций у этого вида оценивается в 1,05 x 10 -7 мутаций на сайт на поколение. [9]
В дрожжах Saccharomyces cerevisiae ядерная геномная скорость однонуклеотидных мутаций составила 1,67 ± 0,04 × 10 -10 на сайт на поколение, в то время как скорость небольших вставок / делеций была оценена как 5,03 ± 0,99 × 10 -12. на сайт на поколение. [16] Что касается анеуплоидии и других вариантов большого числа копий в этом организме, частота дупликации всей хромосомы составила 9,7 ± 1,8 × 10 -5 событий на диплоидный геном на поколение, в то время как скорость потери хромосом была оценивается в 0,7 ± 0,04 × 10 -5 событий на диплоидный геном на поколение. [16]
Рекомендации
- ^ Б с д е е г ч я J Халлиган, DL, & Кейтли, PD (2009). Исследования спонтанного накопления мутаций в эволюционной генетике. Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики, 40 (1), 151–172. DOI: 10.1146 / annurev.ecolsys.39.110707.17343
- ^ Эстес, С., Ajie, БК, Линч, М., & Филлипс, ПК (2005). Спонтанные мутационные корреляции для жизненного цикла, морфологических и поведенческих признаков у Caenorhabditis elegans. Генетика, 170 (2), 645–653. DOI: 10.1534 / genetics.104.040022
- Перейти ↑ Shabalina, SA, Yampolsky, LY, & Kondrashov, AS (1997). Быстрое снижение приспособленности в панмиктических популяциях Drosophila melanogaster, сохраняемых при ослабленном естественном отборе. Труды Национальной академии наук, 94 (24), 13034–13039. DOI: 10.1073 / pnas.94.24.13034
- ^ Saxer Г., Havlak П., Фокс, SA, Quance, М., Гупта С., Фофанов Ю., Queller, DC (2012). Полногеномное секвенирование линий накопления мутаций выявляет низкую скорость мутаций у социальной амебы Dictyostelium discoideum. PLoS ONE, 7 (10). DOI: 10.1371 / journal.pone.0046759
- ^ Loewe, L. (2008) Генетическая мутация. Природное просвещение 1 (1): 113
- Перейти ↑ Shaw, RG, Byers, DL, & Darmo, E. (2000). Спонтанные мутационные эффекты на репродуктивные признаки Arabidopsis thaliana. Генетика, 155 (1), 369–378.
- Перейти ↑ Greenspan, RJ (2004). Толкание мух: теория и практика генетики дрозофил. Колд-Спринг-Харбор (Нью-Йорк): Лаборатория Колд-Спринг-Харбор.
- ^ Линч, М., Акерман, М., Подагра, Дж. И др. (2016) Генетический дрейф, отбор и эволюция скорости мутаций. Nat Rev Genet 17, 704–714). https://doi.org/10.1038/nrg.2016.104
- ^ a b Конрад А., Томпсон О., Уотерстон Р.Х., Моерман Д.Г., Кейтли П.Д., Бергторссон Ю., Катю В. (2017) Скорость митохондриальных мутаций, спектр и гетероплазмия у Caenorhabditis elegans Линии спонтанного накопления мутаций разного размера популяции, молекулярная Биология и эволюция, том 34, выпуск 6, июнь 2017 г., страницы 1319–1334, https://doi.org/10.1093/molbev/msx051
- ^ Кейтли П.Д. и др. (2009) Анализ геномных последовательностей трех линий накопления спонтанных мутаций Drosophila melanogaster. Genome Res. 19, 1195–1201.
- ^ a b c d e Haag-Liautard, C., Dorris, M., Maside, X. et al. (2007) Прямая оценка частоты нуклеотидных и геномных вредных мутаций у дрозофилы. Природа 445, 82–85. https://doi.org/10.1038/nature05388
- ^ Haag-Liautard C, Coffey N, Houle D, Lynch M, Charlesworth B и др. (2008) Прямая оценка частоты мутаций митохондриальной ДНК у Drosophila melanogaster. PLoS Biol 6 (8): e204. DOI: 10.1371 / journal.pbio.0060204
- ^ a b c Фрай JD, Keightley PD, Heinsohn SL, Nuzhdin SV (1999) Новые оценки скорости и эффектов умеренно вредных мутаций у Drosophila melanogaster. PNAS 19 января 1999 г. 96 (2) 574-579; https://doi.org/10.1073/pnas.96.2.574
- ^ a b c d Денвер, Д., Моррис, К., Линч, М. и др. (2004) Высокая частота мутаций и преобладание вставок в ядерном геноме Caenorhabditis elegans. Nature 430, 679–682. https://doi.org/10.1038/nature02697
- ^ Keightley PD, Caballero A. (1997) Частота геномных мутаций для воспроизводства в течение всей жизни и продолжительности жизни у Caenorhabditis elegans. PNAS 15 апреля 1997 г. 94 (8) 3823-3827; https://doi.org/10.1073/pnas.94.8.3823
- ^ a b Чжу Ю.О., Сигал М.Л., Холл Д.В., Петров Д.А. (2014) Точные оценки скорости и спектра мутаций у дрожжей. PNAS 3 июня 2014 г. 111 (22) E2310-E2318; впервые опубликовано 20 мая 2014 г. https://doi.org/10.1073/pnas.1323011111