Klonální interference - Clonal interference

Tento diagram ilustruje jak sex může vytvořit román genotypy rychleji. Dvě výhodné alely A a B vyskytují se náhodně. Tyto dvě alely jsou rychle rekombinovány v sexuální populaci (nahoře), ale v asexuální populaci (dole) tyto dvě alely často vznikají v samostatných liniích a navzájem si konkurují.

Klonální interference je fenomén v evoluční biologii související s populační genetika organismů s významnými vazebná nerovnováha, zvláště nepohlavně se množí organismy. Myšlenku klonové interference představil americký genetik Hermann Joseph Muller v roce 1932.[1] Vysvětluje to, proč je to prospěšné mutace může trvat dlouho, než se v asexuálně reprodukujících populacích fixuje nebo dokonce zmizí. Jak název napovídá, klonální interference se vyskytuje v nepohlavní linii („klon“) s prospěšnou mutací. Tato mutace by se pravděpodobně napravila, kdyby k ní došlo samostatně, ale může se stát, že nebude opravena nebo dokonce bude ztracena, pokud ve stejné populaci vznikne další linie příznivé mutace; více klonů se navzájem ovlivňuje.

Mechanismus klonální interference

Kdykoli v populaci vznikne prospěšná mutace, například mutace A, získá nosič mutace vyšší kondici ve srovnání s členy populace bez mutace A pomocí přírodní výběr. V nepřítomnosti genetická rekombinace (tj. v nepohlavně se množících organismech) je tato prospěšná mutace přítomna pouze v klonech buňky, ve které mutace vznikla. Z tohoto důvodu se relativní frekvence mutace A v průběhu času zvyšuje pouze pomalu. U velkých nepohlavně se množících populací může trvat dlouho, než bude mutace fixována. V této době může další prospěšná mutace, například mutace B, vzniknout nezávisle u jiného jedince populace. Mutace B také zvyšuje kondici nosiče. V této souvislosti se mutace A často označuje jako „původní mutace“, zatímco mutace B se označuje jako „alternativní“ nebo „interferující“ mutace.

V populacích se sexuální reprodukcí mají oba nositelé mutací A a B vyšší kondici, a proto mají větší šanci přežít a plodit potomky. Když nosič mutace A produkuje potomky s nosičem mutace B, může vzniknout vhodnější genotyp AB. Jedinci s genotypem AB mají opět vyšší kondici, a proto je pravděpodobné, že vyprodukují více potomků za předpokladu, že mezi těmito dvěma mutacemi nedojde k žádné negativní interakci. Tímto způsobem se relativní frekvence obou mutací A a B může rychle zvýšit a obě mohou být fixovány současně v populaci. To umožňuje evoluci postupovat rychleji, což je jev známý jako Hill-Robertsonův efekt.

Naopak u populací s nepohlavním rozmnožováním nelze prospěšné mutace A a B (snadno) kombinovat do jediného vhodnějšího genotypu AB kvůli absenci genetické rekombinace. Nosiči mutace A a nositelé mutace B si tedy budou navzájem konkurovat. To obvykle vede ke ztrátě jednoho z nich,[2] což potvrzuje, že osud výhodné mutace lze určit jinými mutacemi přítomnými ve stejné populaci.[3]

Dopady klonální interference na adaptivitu

Když Muller představil fenomén klonové interference, použil ji k vysvětlení, proč se vyvinula sexuální reprodukce. Usoudil, že ztráta prospěšných mutací kvůli klonální interferenci inhibuje adaptivitu nepohlavně se množících druhů. Sex a další reprodukční strategie zahrnující rekombinaci by proto byly podle Mullera evolučně výhodné.[1] Od sedmdesátých let však biologové prokázali, že strategie asexuální a sexuální reprodukce přinášejí stejnou míru evoluční adaptivity. To souvisí se skutečností, že klonální interference ovlivňuje také další část reprodukční strategie populace, a to rychlost mutací.

Klonální interference nehraje pouze roli při fixaci mutací v chromozomální DNA, ale také ovlivňuje stabilitu nebo perzistenci extrachromozomální DNA ve formě plazmidy.[4] Plazmidy často nesou geny, které kódují vlastnosti, jako je odolnost vůči antibiotikům. Z tohoto důvodu se bakterie mohou stát rezistentními vůči antibiotikům v nepřítomnosti genů kódujících tento znak v jejich chromozomální DNA. Plazmidy však nejsou vždy přizpůsobeny hostitelské buňce, což často vede ke ztrátě plazmidu během buněčné dělení. Tímto způsobem může relativní frekvence nosičů tohoto plazmidu v populaci klesat. Avšak také v těchto plazmidech mohou nastat mutace, které vedou ke kompetici mezi nosiči plazmidů. Kvůli této konkurenci budou nakonec vybráni nejstabilnější plazmidy a jejich frekvence v populaci vzroste. Tímto způsobem klonální interference ovlivňuje evoluční dynamiku adaptace plazmid-hostitel, což vede k rychlejší stabilizaci plazmidů v populaci.

Klinické důsledky a aplikace

Fenomén klonální interference se vyskytuje také v rakovina a předrakovinové buněčné linie u pacienta.[5] Heterogenita nalezená v buňkách karcinogenních nádorů implikuje konkurenci mezi subpopulacemi buněk v nádoru, tedy klonální interference.[6] Populační dynamika v liniích rakoviny má proto v klinickém výzkumu léčby rakoviny stále větší význam.[7] Při léčbě infekčních onemocnění antibiotiky jsou dále zohledňovány znalosti o roli populační dynamiky a klonálních interferencí, které často vedou k rezistenci na antibiotika.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Gerrish PJ, Lenski RE (1998), „Osud konkurenčních prospěšných mutací v asexuální populaci“, Mutace a evoluce, Springer Nizozemsko, s. 127–144, doi:10.1007/978-94-011-5210-5_12, ISBN  9789401061933
  2. ^ Imhof M, Schlotterer C (leden 2001). „Účinky výhodných mutací na vývoj populací Escherichia coli“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 98 (3): 1113–7. doi:10.1073 / pnas.98.3.1113. PMC  14717. PMID  11158603.
  3. ^ Lang GI, Rice DP, Hickman MJ, Sodergren E, Weinstock GM, Botstein D, Desai MM (srpen 2013). „Všudypřítomné genetické stopování a klonální interference ve čtyřiceti vyvíjejících se populacích kvasinek“. Příroda. 500 (7464): 571–4. doi:10.1038 / příroda12344. PMC  3758440. PMID  23873039.
  4. ^ Hughes JM, Lohman BK, Deckert GE, Nichols EP, Settles M, Abdo Z, Top EM (2012-08-31). „Role klonální interference v evoluční dynamice adaptace plazmid-hostitel“. mBio. 3 (4): e00077–12. doi:10,1 128 / mBio 00077-12. PMC  3398533. PMID  22761390.
  5. ^ Baker AM, Graham TA, Wright NA (březen 2013). "Pre-tumor klony, periodická selekce a klonální interference při vzniku a progresi gastrointestinálního karcinomu: potenciál pro vývoj biomarkerů". The Journal of Pathology. 229 (4): 502–14. doi:10,1002 / cesta. 4157. PMID  23288692.
  6. ^ Marusyk A, Tabassum DP, Altrock PM, Almendro V, Michor F, Polyak K (říjen 2014). „Nebuněčné autonomní řízení růstu nádoru podporuje subklonální heterogenitu“. Příroda. 514 (7520): 54–8. doi:10.1038 / příroda13556. PMC  4184961. PMID  25079331.
  7. ^ Korolev KS, Xavier JB, Gore J (květen 2014). „Obrácení ekologie a vývoje proti rakovině“. Recenze přírody. Rakovina. 14 (5): 371–80. doi:10.1038 / nrc3712. PMID  24739582.