Маълумот

Ратчети Мюллер ва вирусҳо

Ратчети Мюллер ва вирусҳо


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Оё вирусҳо аз ратчети Мюллер азоб мекашанд? Оё он метавонад ба пандемияи ҳозираи коронавирус таъсир расонад?


Мисли аксари чизҳои олами табиӣ, ба ин савол воқеан як ҷавоби мустақим вуҷуд надорад! Он асосан аз контексти экологӣ ва динамикаи аҳолӣ вобаста аст.

Асосан, дар организмҳои дорои сатҳи баланди мутатсияҳо (масалан, вирусҳои РНК), Ратчети Мюллер пешниҳод мекунад, ки фитнесси миёна дар популятсия ҳамеша коҳиш хоҳад ёфт. Дар популятсияҳои хурд, шахсони бе мутатсия кам ба назар мерасанд ва онҳо тавассути дрейфти генетикӣ гум мешаванд. Дар соли 1990, Чао нишон дод, ки мутатсияҳои зараровар бо суръати ба қадри кофӣ баланд тавлид мешаванд, то рахи Мюллерро дар вируси РНК пеш баранд.

Бо вуҷуди ин, дар маҷмӯъ, метавон гуфт, ки рахи Мюллер дар популятсияҳои вирусӣ бесамар аст, зеро популятсияҳо ҳеҷ гоҳ «хурд» нестанд ва дрейф одатан хеле заиф аст (ё интихоб қавӣ аст, ба ибораи дигар). Чао инчунин қайд мекунад, ки андозаи самараноки популятсия дар табиат, 8x10 ^ 9 аксар вақт ба фаъол будани Ратчети Мюллер аҳамият надорад, зеро Вирусҳо аксар вақт аз як монеаи як фард мегузаранд. Илова бар ин, вирусҳои зуд-зуд рекомбинатсияшаванда, аз қабили ВНМО низ метавонанд ба Муллер, Ратчет Юсте ва дигарон (1999) гирифтор шаванд. Натиҷаҳои Чао ба бисёр вирусҳои дигар умумӣ карда шудаанд.

Аммо, ин тадқиқотҳо ба лаборатория асос ёфтаанд ва ба саволи шумо дар бораи он ки бо SARS-CoV-2 "дар ваҳшӣ" чӣ рӯй дода метавонад, дахл надорад. Вирусҳои РНК сатҳи баландтарини мутатсияро дар табиат нишон медиҳанд (Sanjuan et al 2010). Ин метавонад ба Ратчети Мюллер дар популятсияҳои хурд оварда расонад, ки дар он ҷо интихоб заиф аст ва дрейф намоён аст, аммо метавонад ба сатҳи баланди мутобиқшавӣ дар популятсияҳои калон оварда расонад. На танҳо шумораи аҳолии барӯйхатгирии аҳолӣ муҳим аст, балки андозаи самараноки аҳолӣ, ки метавонад ҳамчун прокси миқдори гуногунии генетикӣ дар дохили аҳолӣ баррасӣ карда шавад. Агар популятсия аз як пайдоиш зуд афзоиш ёбад, чунон ки интизор меравад бо хуруҷи SARS-CoV-2 рух диҳад, он гоҳ шумораи аҳолии барӯйхатгирӣ аз гуногунии пешбинишуда зиёдтар хоҳад буд. Новелла (1995/1996) нишон дод, ки бо андозаи ботлок ва мутобиқати клонҳои зиндамонда алоқамандӣ вуҷуд дорад; ҳангоме ки вирусҳои мувофиқтар аз банд мегузарад, онҳо эҳтимоли зиёд доранд, ки аз Ратчети Мюллер канорагирӣ кунанд. Ҳамин тавр, дар мавриди SARS-CoV-2, оё вирус ба Ратчети Мюллер гирифтор мешавад ё на, аз тағирот ва мутобиқати мутатсияи вирусҳое, ки аз ҳайвони мобайнӣ ба одамон гузаштаанд, вобаста хоҳад буд.

Дар хавфи аз ҳад зиёд мураккаб кардани чизҳо, сохтори аҳолӣ/дема низ нақш мебозад. Агар вирус дар демаҳои гуногун дар дохили популятсияи сохтор таҳаввул кунад, вирусҳо дар дохили дема метавонанд мутатсияҳои мушаххаси популятсияро инкишоф диҳанд. Агар пас аз ҷараёни генҳо дар байни демҳо вуҷуд дошта бошад, он метавонад дар байни мутатсияҳои гуногун интихоб вуҷуд дошта бошад, ки фитнесси миёнаро дар байни демҳо афзоиш диҳад (Mirales et al 2009) ва канорагирӣ аз Ратчет.


Ратчети Мюллер дар организмҳое, ки миқдори ками самарабахши популятсия доранд, бештар мувофиқтар/муҳимтар аст. Гарчанде ки шумораи самараноки аҳолии аҳолии SARS-COV-2 дар саросари ҷаҳон аз (миллиардҳо нусха ба як нафар [ҳадди маъмулии ошкор 10^4 нусха/миллилитр хун аст]) x (миллионҳо одамони сироятшуда) камтар аст, эҳтимолияти зиёд дорад. ки он кадар калон бошад, ки ратчети Мюллер ахамияте надорад.


Ҷавобҳои дигар рахти Мюллерро дар бораи аҳолии вирус дар саросари ҷаҳон хуб фаро мегиранд.

Бо вуҷуди ин, ратчети Мюллерро, ки бо маводи мухаддир ба вуҷуд омадааст (бо обшавии мутатсия) метавонад дар сатҳи популятсияи вирусие, ки як беморро сироят кардааст, баррасӣ кард. Нашрияи ба наздикӣ бо назардошти обшавии мутатсия ҳамчун стратегияи эҳтимолии табобати SARS-CoV-2 дар бораи эҳтимолан ба вуҷуд овардани потенсиали мутатсия дар аҳолии вирусии беморон сӯҳбат мекунад.

Аҳамият диҳед, ки ин тадқиқот нест, балки як варақаи шарҳ аст! Муаллифон назария ва далелҳои таҷрибавиро баррасӣ мекунанд, ки онҳоро водор месозад, ки гудохтаи мутатсия вуҷуд дорад потенсиал ки ба табобати коронавирус табдил ёбад.


Таҳқиқи модели эволютсионии ратчети Мюллер

Мувозинати мутация ва равандҳои интихоб: Популятсияро ба гурӯҳҳои фардҳо тақсим кардан мумкин аст, ки миқдори гуногуни мутатсияҳои зараровар доранд. Гурӯҳҳое, ки чанд мутация доранд, тавассути интихоб афзоиш меёбанд, аммо аъзои фуҷур ба гурӯҳҳои дигар бо мутация. Гурӯҳҳое, ки мутатсияҳои зиёд доранд, он қадар зиёд тавлид намекунанд, аммо бо мутация аъзо пайдо мекунанд. Ричард Неҳер / MPI барои биологияи рушд

Ду таҳқиқоти нав, ки ин равандро баррасӣ карданд, бо номи ратчети Мюллер маълум аст, ки дар бораи равандҳои ратчет фаҳмиши миқдорӣ медиҳад ва нишон медиҳад, ки чаро популятсияҳо сарфи назар аз воридшавии пайвастаи мутатсияҳои зараровар ногузир нест мешаванд.

Аз протозойҳо то ширхӯрон, эволютсия сохторҳои мураккабтар ва организмҳои беҳтар мутобиқшуда ба вуҷуд овард. Ин ҳама ҳайратовартар аст, зеро аксари мутатсияҳои генетикӣ зарароваранд. Хусусан дар популятсияҳои хурди асексуалӣ, ки генҳои худро дубора муттаҳид намекунанд, мутатсияҳои номусоид метавонанд ҷамъ шаванд. Ин раванд дар биологияи эволютсионӣ ҳамчун ратчети Мюллер маълум аст. Ратчет, ки аз ҷониби генетики амрикоӣ Ҳерман Ҷозеф Мюллер пешниҳод шудааст, пешгӯӣ мекунад, ки геном ба таври бебозгашт бад мешавад ва популятсияҳоро дар кӯчаи яктарафа ба нобудшавӣ мегузорад. Дар ҳамкорӣ бо ҳамкасбон аз ИМА, Ричард Неҳер аз Институти Биологияи Рушди Макс Планк ба таври математикӣ нишон дод, ки рахи Мюллер чӣ гуна кор мекунад ва ӯ таҳқиқ кардааст, ки чаро популятсияҳо сарфи назар аз воридшавии пайвастаи мутатсияҳои зараровар ногузир нест мешаванд.

Аксарияти мутатсияҳо зарароваранд. Генетики популятсия Ричард Неҳер, роҳбари гурӯҳи мустақили тадқиқотии Макс Планк дар Институти биологияи рушди Макс Планк дар Тюбинген, Олмон, "Дар натиҷаи интихоби шахсони дорои генҳои мусоидтар бомуваффақият тавлид мешаванд ва мутатсияҳои зараровар дубора нест мешаванд". Бо вуҷуди ин, дар популятсияҳои хурд, ба монанди вируси ба таври ғайрирасмӣ такроршаванда ҳангоми сироят, вазъ он қадар равшан нест. Ричард Неҳер мегӯяд: "Он гоҳ тасодуфан, танҳо тавассути равандҳои стохастикӣ метавонад рӯй диҳад, ки мутатсияҳои зараровар дар вирусҳо ҷамъ мешаванд ва гурӯҳи шахсони бидуни мутатсия нест мешаванд". Ин ҳамчун клики рахи Мюллер маълум аст, ки бебозгашт аст - ҳадди аққал дар модели Мюллер.

Мюллер модели худро дар бораи аҳамияти эволютсионии мутатсияҳои зараровар дар соли 1964 нашр кард. Бо вуҷуди ин, то имрӯз фаҳмиши миқдории равандҳои ратчет вуҷуд надошт. Ричард Неҳер ва Борис Шрайман аз Донишгоҳи Калифорния дар Санта Барбара ҳоло як таҳқиқоти нави назариявӣ дар бораи рахи Мюллерро нашр карданд. Онҳо модели нисбатан соддаеро интихоб карданд, ки танҳо мутатсияҳои зараровар доранд, ки ҳама ба фитнес якхела таъсир мерасонанд. Олимон бар зидди ин мутатсияҳо интихобро баррасӣ карданд ва таҳлил карданд, ки чӣ гуна тағирот дар гурӯҳи шахсони мувофиқ ба одамони солим ва тамоми аҳолӣ таъсир мерасонад. Ричард Неҳер ва Борис Шрайман кашф карданд, ки калиди фаҳмиши ратчети Мюллер дар вокуниши суст аст: Агар шумораи шахсони мувофиқтарин кам карда шавад, фитнесси миёна танҳо пас аз таъхир коҳиш меёбад. Ричард Неҳер дар бораи натиҷаҳо шарҳ медиҳад, ки "ин баррасиҳои таъхирнопазир рахти Мюллерро суръат мебахшад". Он бештар ва бештар клик мекунад.

"Натиҷаҳои мо барои доираи васеи шароитҳо ва арзишҳои параметрҳо эътибор доранд - барои популяцияи вирусҳо ва инчунин популяцияи палангҳо." Бо вуҷуди ин, вай интизор нест, ки шароити моделро дар табиат як ба як пайдо кунад. "Моделҳо барои фаҳмидани ҷанбаҳои муҳим, муайян кардани равандҳои муҳим сохта шудаанд" гуфт ӯ.

Дар як таҳқиқоти дуввум Ричард Неҳер, Борис Шрайман ва чанд нафари дигар аз донишмандони амрикоӣ аз Донишгоҳи Калифорния дар Санта Барбара ва Донишгоҳи Ҳарвард дар Кембриҷ таҳқиқ карданд, ки чӣ гуна як аҳолии хурди асексуалӣ аз рахи Мюллер гурехта метавонад. Ричард Неҳер мегӯяд: "Чунин популятсия танҳо дар ҳолати мӯътадил боқӣ мемонад, агар мутатсияҳои фоиданок пайваста мутацияҳои манфиро, ки тавассути рахи Мюллер ҷамъ мешаванд, ҷуброн кунанд". Барои модели худ олимон муҳити устуворро ба назар гирифта, пешниҳод мекунанд, ки дар ҳар як популятсия мувозинати мутатсия-интихоб вуҷуд дошта бошад. Онҳо суръати мутатсияҳои мусоидро ҳисоб кардаанд, ки барои нигоҳ доштани мувозинат заруранд. Натиҷа ҳайратовар буд: Ҳатто дар шароити номусоид, таносуби нисбатан хурд дар доираи якчанд фоизи мутатсияҳои мусбат барои нигоҳ доштани популят кифоя аст.

Ин бозёфтҳо метавонистанд нигоҳдории дарозмуддати митохондрияҳо, ба истилоҳ нерӯгоҳҳои энергетикии ҳуҷайраро, ки геноми худро доранд ва ба таври ғайрисексуалӣ тақсим мешаванд, шарҳ диҳанд. Умуман, эволютсия аз рӯйдодҳои тасодуфӣ ё тавре ки Ричард Неҳер мегӯяд: "Динамикаи эволютсионӣ хеле стохастикӣ аст."

Тасвир: Ричард Неҳер / MPI барои биологияи рушд

Ричард А. Нехер, Борис I. Шрайман, Тағйирёбии тақсимоти фитнес ва суръати ратчети Мюллер.
Генетика, ҷилди. 191, саҳ. 1283-1293, августи 2012. дои:10.1534/генетика.112.141325

Сидхарта Гоял, Даниэл Ҷ. Балик, Элизабет Р. Ҷерисон, Ричард А. Неҳер, Борис И. Шрайман ва Майкл М. Десай, Мувозинати динамикӣ-интихоботӣ ҳамчун ҷалбкунандаи эволютсионалӣ.
Генетика, ҷилди. 191, августи 2012. дои: 10.1534/genetics.112.141291


Замина

Назарияи эволютсионӣ пешгӯӣ мекунад, ки таназзули мутатсия барои популяцияҳои хурди асексуалӣ ногузир аст, ба шарте ки сатҳи мутатсияҳои зараровар ба қадри кофӣ баланд бошад. Интизор меравад, ки чунин популятсияҳо таъсири Ратчети Мюллерро аз сар гузаронанд [1, 2], ки дар он синфи мувофиқтарин ашхос бо сабаби тасодуф танҳо бо суръати муайян гум мешавад ва синфи дуюми беҳтаринро дар ниҳоят ба ҳамон сарнавишт дучор мекунанд ва ғайра. , ки боиси тадриҷан паст шудани фитнесси миёна мегардад. Назарияи обшавии мутатсия [3, 4] бар Ратчети Мюллер барои пешгӯии синергизм байни мутатсия ва дрейфти генетикӣ дар мусоидат ба нобудшавии популятсияҳои хурди асексуалӣ, ки дар охири раванди пӯсидаи геномии тӯлонӣ қарор доранд, сохта шудааст. Новобаста аз тарзи репродуктивӣ, интизор меравад, ки геномҳои митохондриалӣ аз аксари намудҳои ҳайвонот аз сабаби мероси якпадарӣ, сатҳи баланди мутатсия ва набудани рекомбинатсияи муассир ба Ратчети Мюллер ҳассос бошанд [3, 5, 6]. Таъсири пӯсидаи геномии Ратчети Мюллер дар таҷрибаҳои эволютсияи лабораторӣ бо молекулаҳои абиотикии РНК [7], вирусҳои биотикии РНК [8], бактерияҳо [9] ва хамиртуруш [10] мушоҳида шудааст. Далелҳои ғайримустақим оид ба таъсири Ратчети Мюллер дар табиат аз тадқиқотҳо дар бораи таъсири дарозмуддати коҳиши шумораи популятсия ба гуногунии генетикӣ ва фитнес дар амфибияҳо [11], чӯҷаҳои бештари прерий [12, 13] ва орнитофаунаи Зеландияи Нав [14] . Далелҳои молекулавӣ барои Ратчети Мюллер аз таҳлили сохторҳои генҳои зараровари tRNA, ки бо геномҳои митохондриалӣ рамзгузорӣ шудаанд [15] ва таҳлили Дрозофила эволютсияи хромосомаҳои ҷинсӣ [16]. Бо вуҷуди ин, дониши мустақим дар бораи ҳассосияти популятсияҳои табиӣ ба Ратчети Мюллер ва механизмҳои молекулавии ин раванд мубрам боқӣ мемонад.

Caenorhabditis briggsae, монанди Caenorhabditis elegans, як навъ нематодҳои гермафродитӣ, ки худфарзанд аст, инчунин наринаҳоеро ба вуҷуд меорад, ки қодиранд аз гермафродитҳо берун оянд. Таҳлили намунаҳои номутаносибии пайвандҳо дар C. Briggsae изолятсияҳои табиӣ нишон медиҳанд, ки сатҳи хеле пасти беруншавӣ аз

3,9 × 10 -5 [17]. Дар ҳамин таҳқиқот тақсимоти аҳолӣ дар байни C. Briggsae штаммҳое, ки дар маҳалҳои мӯътадил ҷамъоварӣ шудаанд, нисбат ба штаммҳои минтақаҳои тропикӣ ва гуногунии нуклеотидҳои ядроии хомӯшӣ (π)С) барои изолятсияҳои тропикӣ 2,7 × 10 -3 ҳисоб карда шуд - ин рақам ба тахминҳои глобалӣ барои C. elegans [18]. Дар C. Briggsae изолятсияҳо аз маҳалҳои мӯътадил, аммо π ба таври назаррас пасттар нишон додандС арзиши 4,0 × 10 -5 . Арзёбии мустақими суръати мутатсияи ивазкунии пойгоҳи бетараф (9,0 × 10 -9 дар як макон дар як насл) аз ин дастрас аст. C. elegans хатҳои мутатсия-ҷамъкунӣ [19], ки метавонанд дар баробари π истифода шавандС маълумот барои арзёбии шумораи самараноки аҳолӣ (Н д) [20]. Фарз кардани суръати умумии мутатсия байни C. elegans ва C. Briggsae, Н дтахмин карда мешавад

63,000 барои C. Briggsae изолятҳои тропикӣ. Барои C. Briggsae изолятсияҳои мӯътадил, хеле хурдтар Н даз

1000 тахмин карда мешавад. Дар асоси ин ва дигар мушохидахо тахмин карда мешавад, ки C. Briggsae танҳо ба наздикӣ (дар чанд сад соли охир) арзҳои муътадилро аз популятсияҳои хурди бунёдгузор мустамлика карданд [17]. Илова бар ин, далелҳо барои а

2 маротиба баланд шудани суръати мутатсия дар C. Briggsae нисбат ба C. elegans [21] ки ба мутаносибан пасттар оварда мерасонад Н дтахминҳо барои C. Briggsae:

31,500 барои аҳолии тропикӣ ва

500 барои аҳолии мӯътадил. Маҷмӯи меъёрҳои берун аз ҳад хеле паст, хурд Н два суръати баланди мутатсия дар назар аст C. Briggsae наслҳои табиии митохондриалӣ ба таъсири ҷамъшавии мутатсияҳои зараровар, ки бо Ратчети Мюллер алоқаманданд.

Барои санҷидани таъсири Ратчети Мюллер дар C. Briggsae популятсияҳои табиӣ, мо геномҳои қариб мукаммали митохондрияро аз якчанд ҷуғрофӣ гуногун ҷудо кардем C. Briggsae изолятҳои табиӣ ва равандҳои эволютсионии молекулавии тавсифшуда тавассути муқоисаи шаклҳои гуногунии нуклеотидҳо дар генҳои рамзии сафедаи ДНК (mtDNA) дар байни қабатҳои мӯътадил ва тропикӣ C. Briggsae изолятҳо, тавсифи ҳазфкунии геномҳои гетероплазмиро бо истифода аз равишҳои миқдорӣ дар вақти воқеӣ PCR (qPCR) ва арзёбии таносуби геномҳои табиии митохондриалӣ бо ҳосилнокии нематодҳо ва фитнес.


Мафҳумҳои асосӣ дар эволютсияи вируси РНК

Ба онҳо муроҷиат кардан лозим аст, ки мукотиба ва дархостҳои чопи дубора ба онҳо муроҷиат кунанд: Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa," Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Мадрид, Испания. Ҷустуҷӯи мақолаҳои бештари ин муаллиф

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Департаменти Генетика ва Сервеи де Биоинформатика, Факультат де Биология, 46100 Buijassot, Валенсия, Испания

Шӯъбаи биология ва Маркази генетикаи молекулавӣ, Донишгоҳи Калифорния дар Сан Диего, Ла Жолла, Калифорния, 92093-0116 ИМА

Шӯъбаи биология ва Маркази генетикаи молекулавӣ, Донишгоҳи Калифорния дар Сан Диего, Ла Жолла, Калифорния, 92093-0116 ИМА

Шӯъбаи биология ва Маркази генетикаи молекулавӣ, Донишгоҳи Калифорния дар Сан Диего, Ла Жолла, Калифорния, 92093-0116 ИМА

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Ба онҳо муроҷиат кардан лозим аст, ки мукотиба ва дархостҳои чопи дубора ба онҳо муроҷиат кунанд: Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa," Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Мадрид, Испания. Ҷустуҷӯи мақолаҳои бештари ин муаллиф

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa,", Universidad Autónoma, 28040 Мадрид, Испания

Департаменти Генетика ва Сервеи де Биоинформатика, Факультат де Биология, 46100 Buijassot, Валенсия, Испания

Шӯъбаи биология ва Маркази генетикаи молекулавӣ, Донишгоҳи Калифорния дар Сан Диего, Ла Жолла, Калифорния, 92093-0116 ИМА

Шӯъбаи биология ва Маркази генетикаи молекулавӣ, Донишгоҳи Калифорния дар Сан Диего, Ла Жолла, Калифорния, 92093-0116 ИМА

Шӯъбаи биология ва Маркази генетикаи молекулавӣ, Донишгоҳи Калифорния дар Сан Диего, Ла Жолла, Калифорния, 92093-0116 ИМА

Реферат

Хусусияти хоси геномҳои РНК ин хусусияти хатогии репликатсия ва ретротранскрипсияи онҳо мебошад. Асоси асосии биохимиявии дурустии маҳдуди репликатсия мавҷуд набудани механизмҳои ислоҳи хатогиҳо/таъмиркунӣ ва пострепликативӣ мебошад, ки одатан ҳангоми репликатсияи ДНК-и ҳуҷайра амал мекунанд. Сарфи назар аз ин хусусияти беназири репликонҳои РНК, динамикаи популятсияҳои вирусҳо ба ҳамон принсипҳои асосие, ки генетикаи классикии популятсия барои организмҳои олӣ муқаррар кардааст, пайравӣ мекунад. Дар ин ҷо мо далелҳои охирини таъсири амиқеро баррасӣ мекунем, ки монеаҳои генетикӣ дар баланд бардоштани таъсири манфии ратчети Мюллер ҳангоми эволютсияи вируси РНК доранд. Дурустии гипотезаи Маликаи Сурх ва принсипи истиснои рақобат барои вирусҳои РНК натиҷаи интизории табиати хеле тағйирёбанда ва мутобиқшавандаи квазинамудҳои вирусӣ ҳисобида мешавад. Фитнесси вирусӣ ё қобилияти такрор кардани насли сироятӣ метавонад дар фосилаҳои кӯтоҳ миллион маротиба фарқ кунад. Тааҷҷубовар аст, ки таҳқиқоти функсионалӣ ва сохторӣ маҳдудиятҳои шадидро барои тағирёбии вирус нишон медиҳанд. Мутобиқшавии вирусҳои РНК ба ишғоли қисматҳои хеле танги фазои пайдарпай дар ҳар вақти муайян асос ёфтааст.—Доминго, Э., Эскармис, Э., Севилья, Н., Моя, А., Елена, СФ, Куэр, Ҷ., Novella, IS, ва Ҳолланд, JJ Консепсияҳои асосӣ дар эволютсияи вируси РНК. ФАСЕБ Ҷ. 10, 859-864 (1996)


Таъсири биологии Ратчети Мюллер: Ҷойгоҳи дурдасти капсид метавонад ба коркарди протеини Пикорнавирус таъсир расонад

АНҶИР. 1 . Схемаи пайдоиши клонҳои FMDV C 10 1, C 10 130, ва зерсохторҳои a, b, c ва d, ки ба 180 ё 230 интиқоли лавҳа ба лавҳа ва шумораи аҳолии C-S8c1p50 дучор шудаанд. Майдонҳо, доираҳои клонҳои биологӣ, тирҳои ғафси популятсияҳои клоннашуда, гузаргоҳҳои сераҳолӣ (2 × 10 6 ҳуҷайраҳои сироятшуда бо 2 × 10 6 то 5 × 10 6 PFU аз C-S8c1), ҷудокунии вирус аз як лавҳа. Барои зернасл c, клонҳо пас аз интиқоли 180 ғайриситопатикӣ шуданд (20). Пайдоиши FMDV C-S8c1 ва тартиби сироятҳо ва интиқоли лавҳа ба лавҳа дар Маводҳо ва усулҳо муфассал оварда шудааст. АНҶИР. 2018-03-22 . Ҳассосият ва ҷамъшавии мутатсияҳо ҳангоми дучор шудан ба клони FMDV C 10 1 ба гузарондани плак-хо. Пайдоиши C 10 1 ва тарҳи таҷрибавӣ дар расми 1 тавсиф шудааст. (A) Истеҳсоли наслҳо дар 37 ° C ва 42 ° C дар сироятҳои параллели ҳуҷайраҳои 2 × 10 6 BHK-21, бо клонҳои дар абсцисса нишондодашуда, дар MOI аз 0,1 то 0,01 PFU / ҳуҷайра. Пас аз 1 соати адсорбсия дар 37 ° C, моноқабатҳо дар 37 ° C ё дар 42 ° C барои 22 соат то 44 соат то ба итмом расидани ситопатология дар 37 ° C инкубатсия карда шуданд. Титрҳо дар супернатантҳои фарҳанги ҳуҷайра дар 37 ° C дар инҳирофҳои стандартии се маротиба муайян карда шуданд. $B) Истеҳсоли наслҳо дар ҳарорати 37 ° C ва 42 ° C аз C 10 180 ва C 10 230 барои зерсабҳаҳои b, c ва d (расми 1 муқоиса кунед). Вирус аз зернасл c ҳангоми интиқоли 180 миқдори номуайяни лавҳаҳоро дар 42°C дод (зери маҳдудияти ошкор, тавре ки бо тир нишон дода шудааст) вируси ин зернасл ҳангоми интиқоли лавҳа 190 (20) ғайриситофатикӣ шуд ва аз ин рӯ ҳассосият ҳангоми интиқол 230 чен кардан мумкин набуд. Титратсия барои се насл дар таҷрибаҳои алоҳида гузаронида шуд, аммо барои ҳар як насл титратсияи лавҳаҳо дар C 10 180 ва C 10 230 параллел гузаронида шуданд ва C 10 130 (клони волидайни зернаслҳои a, b, c ва d) (расми 1) ҳамчун назорат дохил карда шуд. Тартиб тавре аст, ки барои панели A тавсиф карда шудааст. (C) Истеҳсоли наслҳо дар 37°C ва 43°C аз C-S8c1 ва C-S8c1 таҳти 50 гузариши силсилавӣ дар ҳуҷайраҳои BHK-21 (MOI аз 1 то 2 PFU/ҳуҷайра) дар 37°С. Дар хотир доред, ки дар ин назорат ҳарорати маҳдудкунанда 43 ° C буд ва ҳассосияти гармии C-S8c1 набояд ба C10 шабеҳ бошад. 1 бо сабаби таърихи гузариш (расми 1) ва ба гетерогении аҳолии FMDV. $D) Ҷамъшавии мутатсия нисбат ба пайдарпаии геномии С 10 1, ҳамчун вазифаи рақами интиқоли лавҳа. Арзишҳо ба пайдарпаии нуклеотидҳои тамоми геноми FMDV, тавре ки қаблан тавсиф шуда буд, асос ёфтаанд (23). Тартибҳо дар мавод ва усулҳо тавсиф карда шудаанд. АНҶИР. 3 . Ҳосили вирусии мутантҳои FMDV дар 37 ° C ва 43 ° C. $A) Мутацияҳое, ки C 10-ро фарқ мекунанд 30 аз C 10 1 ба pMT28 алоҳида ворид карда шуданд, плазмидҳо хаттӣ ва транскрипсия карда шуданд ва транскриптҳои сироятӣ ба ҳуҷайраҳо барои тавлиди насли вирус интиқол дода шуданд. Мутацияҳо ё ивазкунандаи аминокислотаҳо дар ҳар як мутант дар абсцисса нишон дода шудаанд. C 10 1, C 10 30, ва ҳосилаҳои мутантии pMT28 барои сироят кардани ҳуҷайраҳои BHK-21 дар MOI 0,1 PFU/ҳуҷайра истифода шуданд. Давраи 1-соати адсорбсия дар 37°С буд. Сипас, сироят дар 37°C ё 43°С то ба охир расидани ситопатология дар сироятҳое, ки дар 37°C (21 соат пас аз сироят) гузаронида шуданд, идома ёфт. Титрҳо дар се нусха гузаронида шуданд ва инҳирофҳои стандартӣ нишон дода шудаанд. (B) Каҷи афзоиши насли вирусии pMT28-WT (WT) ва pMT28-M1054I (M1054I) дар 37 ° C ва 43 ° C. Моноқабатҳои ҳуҷайраҳои BHK-21 дар MOI тақрибан 0,1 PFU/ҳуҷайра дар шароитҳое, ки барои панели A нишон дода шудаанд, сироят карда шуданд. Дар вақтҳои нишондодашуда пас аз сироят, аликвотҳои супернатантҳои фарҳанги ҳуҷайра гирифта шуданд ва титрҳои вирусӣ дар 37°C муайян карда шуданд. Титрҳо дар се нусха гузаронида шуданд ва инҳирофҳои стандартӣ дода шудаанд. Ситораҳо фарқияти аз ҷиҳати оморӣ муҳимро байни титрҳои аз ҷониби pMT28-WT ва pMT28-M1054I истеҳсолшуда ё дар 37°C ё 43°C дар ҳар як вақт нишон медиҳанд (П < 0,025 таҳлили санҷиши дисперсия). Тартибҳо дар мавод ва усулҳо муфассал оварда шудаанд. АНҶИР. 4 . Истеҳсоли насли сироятӣ ва устувории pMT28-WT (WT) ва pMT28-M1054I (M1054I) дар 37 ° C ва 43 ° C. (A) pMT28-WT ё pMT28-M1054I ба ҳуҷайраҳои BHK-21 барои 1 соат дар 37 ° C дар MOI 0,1 PFU / ҳуҷайра адсорб карда шуд. Сироятҳо дар давоми 3 соат дар 37 ° C ё 1 соат дар 37 ° C, пас аз 2 соат дар 43 ° C ё 2 соат дар 43 ° C ва сипас 1 соат дар 37 ° C ё 3 соат дар 43 ° C идома ёфтанд. , чунон ки дар абсцисса нишон дода шудааст. Пас аз 3 соат вирус дар 37 ° C титр карда шуд. Титрҳо дар се маротиба гузаронида шуданд, ки инҳирофҳои стандартӣ дода шудаанд. (B) Аликвотҳое, ки аз 100 то 200 PFU вируси pMT28-WT ё pMT28-M1054I доранд, мутаносибан дар 43°C дар тӯли вақтҳои дар абсцисса нишондодашуда инкубатсия карда шуданд ва дар 37°C титр карда шуданд. Титрҳо дар се нусха гузаронида шуданд ва инҳирофҳои стандартӣ дода шудаанд. Инҳирофоти стандартӣ барои вақтҳои 0, 15, 30, 60 ва 120 дақиқа мутаносибан 5,3, 1,2, 6,5, 1,5 ва 0 барои pMT28-WT ва 39,8, 20,8, 10,4, 7 ва 2, барои pMT2 буд. -M1054I. Нисфи умри сироятӣ дар асоси хатҳои регрессионии pMT28-WT (й = 109,84 д -0,0384х р 2 = 0,9937) ва pMT28-M1054I (й = 282,24 e -0,0395х р 2 = 0,9772). Тартибҳо дар Маводҳо ва Усулҳо тавсиф карда шудаанд. АНҶИР. 5 . Ифодаи протеин бо РНК навъи ваҳшӣ ва мутант M54I РНК. (A) Намунаи ифодаи сафеда дар ҳуҷайраҳои BHK-21 бо транскриптҳои рамзгузории pMT28-WT (WT) ва pMT28-M1054I (MI) дар 37 ° C ва 43 ° C электропоратсия карда шудааст. Ҳуҷайраҳои BHK-21 ё электропоратсия карда шуданд (хатҳои C) ё бо тақрибан 20 мкг транскриптҳои РНК аз плазмидҳои нишондодашуда электропоратсия карда шуданд. Ҳуҷайраҳои трансфексияшуда бо [35 S] Met-Cys дар 2 то 3, 3 то 4 ё 4 то 5 соат пас аз электропоратсия (HPE) нишонгузорӣ карда шуданд. Иқтибосҳои ҳуҷайра тавассути SDS-PAGE таҳлил карда шуданд, пас флюрография ва авторадиография. Дараҷаи қатъ шудани синтези сафедаи ҳуҷайраҳои мизбон бо миқдори нишони 35 S дар банди актин муайян карда шуд (ба ҳисоби фоизи хати C, ки ҳамчун 100% арзишҳо дар қуттиҳои поёни ҳар як сатр гирифта шудаанд). Миқдори умумии сафеда тавассути blotting ғарбӣ бо истифода аз антиденои моноклоналӣ барои β-актин (панели поён) муайян карда шуд. Мавқеи сафедаҳои вирусӣ 3CD, 3D, VP3 ва VP1 дар тарафи рост нишон дода шудаанд. Мр арзишҳо ҳазорҳо мебошанд. (B) Таҳлили ғарбии гели дар панели А бо истифода аз антиденои моноклоналии SD6, ки барои VP1 аз FMDV хос аст, нишон дода шудааст. Мавқеъҳои P1, VP3-VP1 ва VP1 нишон дода шудаанд. P1 ва VP3-VP1 низ бо антиденои моноклоналии 6С2, ки барои VP3 хос аст, мусбат буданд (38). Доғҳои дуввум таъсири дарозмуддати минтақаи гел дар атрофи VP1 мебошад, ки фоизи pMT28-M1054I VP1 нисбат ба pMT28-WT VP1, ки дар поён дода шудааст, аз ҷониби денситометрияи бандҳои VP1 бо истифода аз таъсири мувофиқ барои ҳар як ҳарорат муайян карда шудааст (-, зичии боло аз замина ошкор карда нашудааст). Нишон додани сафедаҳои FMDV ва аломатҳои массаи молекулавӣ дар панели A. (Таҳлили мо муайян накард, ки бандҳои ба P1 ва VP3-VP1 таъиншуда 2A-ро дар бар мегиранд [50, 51, 56]). (C) Намоиши сеченакаи маълумот дар панели В дар 3 то 4 (4 HPE) ва 4 то 5 (5 HPE) соат пас аз электропоратсия нишон дода шудааст. Фоизи сафедаҳои прекурсорҳо барои вирусҳои навъи ваҳшӣ (WT) ва мутант M54I (MI) дар ҳарорати 37 ° C ва 43 ° C тавассути денситометрияи доғи ғарбӣ бо экспозицияи мувофиқ (дар тарафи рост нишон дода шудааст) муайян карда шуд, ки натиҷаҳо нисбат ба сатҳи VP1, ҳамчун 100% гирифта шудааст. (D) Таҳлили blot ғарбӣ бо истифода аз антителоҳои мушаххас барои VP3, 2C ва 3D FMDV ва β-актин дар 4 соат пас аз электропоратсия. Фоизҳо дар поёни блокҳо тавассути денситометрияи бандҳои мушаххас бо таъсири мувофиқ барои ҳар як ҳарорат муайян карда шуданд (-, зичии болотар аз замина муайян карда нашуд). Тартибҳо дар Маводҳо ва Усулҳо тавсиф карда шудаанд. АНҶИР. 6 . Устуворӣ дар ҳуҷайраҳои BHK-21 аз VP1 аз pMT28-WT ё pMT28-M1054I ифода ёфтааст. (A) Ҳуҷайраҳои BHK-21 ё электропоратсия карда шуданд (рахҳои C) ё бо тақрибан 20 мкг транскриптҳои РНК аз pMT28-WT ё pMT28-M1054I дар 37 ° C ё 43 ° C электропоратсия карда шуданд. Ҳуҷайраҳои трансфексияшуда бо [35 S] Met-Cys дар 3 соат пас аз электропоратсия дар тӯли 60 дақиқа нишонгузорӣ карда шуданд ва сипас онҳоро дар вақтҳои нишондодашуда (дақ) бо Met-Cys-и номбаршуда таъқиб карданд. Иқтибосҳои ҳуҷайра тавассути SDS-PAGE, пас аз он флюорография ва авторадиография, тавре ки дар ривояти расми 5 ва дар Маводҳо ва усулҳо муфассал оварда шудааст, таҳлил карда шуданд. Мр арзишҳо ҳазорҳо мебошанд. Мавқеи VP1 нишон дода шудааст. (B) Фоизи нишона дар банд, ки ба capsid VP1 мувофиқ аст, нисбат ба нишона дар вақти сифр ҳамчун 100% нишон дода шудааст. VP1 бо реактивии он бо антиденои моноклоналии SD6 муайян карда шуд (37). Тартибҳо дар Маводҳо ва Усулҳо тавсиф карда шудаанд.

Муҳокима

Ҷамъшавии мутатсия ва ҳамла аз ҷониби унсурҳои худхоҳ ду қувваест, ки бар зидди оптимизатсияи геномҳо ва ба тартиб даровардани популятсияҳои андозаашон маҳдуд амал мекунанд. Дар организмҳои асексуалӣ, қабули eDNA ва пас аз рекомбинатсия роҳи ягонаи муқобила бо сарбории мутатсия, ки аз ҷониби ратчети Мюллер гузошта шудааст (Такеучи et al. 2014). Бо вуҷуди ин, истеъмоли eDNA инчунин метавонад аз ҷониби унсурҳои худхоҳона истифода шавад, то дар байни аҳолӣ паҳн шавад, ки истеъмоли eDNA (ва умуман интиқоли генҳои уфуқӣ) ба шамшери дудама барои ҳуҷайраҳо табдил меёбад. Бо омезиши моделҳои оддии риёзӣ бо маълумоти геномӣ, мо нишон медиҳем, ки суръати HGT барои ҳуҷайраҳо барои фирор аз рахти Мюллер лозим аст, одатан ба қадри кофӣ баланд аст, то имкон диҳад, ки паразитҳои осебпазир дар аксари популятсияҳо боқӣ монанд. Аз ин рӯ, агар ҳуҷайраҳо бо роҳи ҷамъшавии мутатсия аз таназзули геномӣ канорагирӣ кунанд, давомнокии паразитҳо (аслан) ногузир мегардад. Гарчанде ки мо далели худро ба талабот оид ба гурехтани ҳуҷайраҳо аз рахи Мюллер равона карда будем, дигар манфиатҳои марбут ба HGT, ба монанди ба даст овардани детерминантҳои муқовимати антибиотик ё вирус ё роҳҳои биохимиявӣ, ки дар муҳити мушаххас фоидаоваранд, ба таври иловагӣ имкони паст кардани фишори хунро маҳдуд мекунанд. Сатҳи HGT аз ҳадди бартараф кардани паразитҳо пасттар аст, ки ин хулосаи умумиро мустаҳкам мекунад.

Шароитҳое, ки барои пойдории кӯтоҳмуддат ва дарозмуддати паразитҳои генетикӣ заруранд, пас аз кашфи унсурҳои ғаразнок дар биологияи назариявии популятсия мавзӯи такрорӣ буданд (Charlesworth and Charlesworth 1983 Langley et al. 1983 Kaplan et al. 1985 Moody 1988). Мо як модели умумиро аз нав дида баромадем, ки таъсири HGT, такрорӣ, талафот ва интихобро ба инобат мегирад, то сарнавишти як унсури худхоҳона дар як аҳолии мизбонро тавсиф кунад (Moody 1988 Basten and Moody 1991 Bichsel et al. 2013 Iranzo et al. 2014). Сарфи назар аз содда будани худ, ин модел нишон дода шудааст, ки ба тақсимоти фаровони пайдарпаии воридшавӣ дар геномҳои бактериявӣ мувофиқат мекунад (Iranzo et al. 2014) ва версияи бетарафии он барои баҳодиҳии динамикаи эволютсионии мундариҷаи генҳо истифода шудааст (Csuros and Miklos 2006 Csuros) 2010). Дар мувофиқа бо бозёфтҳои қаблӣ, пойдории паразитҳо танҳо дар сурате имконпазир аст, ки интиқоли уфуқӣ талафоти самараноки унсурҳои паразитиро тавассути несткунӣ ва тозакунии интихоб ҷуброн кунад. Дар мавриди унсурҳои нейтралӣ ё квазинейтралӣ, ба монанди транспозонҳо, омили асосии таъсиррасонӣ ба суръати интиқоли интиқодӣ ин тамоюли талафоти дохилӣ мебошад, яъне фарқияти байни паҳншавӣ ва талафот барои элементи додашуда, охирин то андозаи калон муайян карда мешавад. дараҷаи аз рӯи суръати тозакунии геном (Куо ва Очман 2009, 2010). Аз тарафи дигари спектри худхоҳии репликатор, зинда мондани дарозмуддати паразитҳои хеле зараровар, ба монанди вирусҳои литикӣ, талаб мекунад, ки ба ҳисоби миёна, вирусҳо ҳадди ақалл шумораи ҳуҷайраҳои мизбонро сироят кунанд, ки онҳо дар як воҳиди вақт мекушад (ки ба он баробар аст) ҳолати Р0 > 1 барои таносуби асосии репродуктивӣ, ки дар эпидемиология истифода мешавад (Хеффернан ва диг. 2005).

Тавре ки модел пешгӯӣ кардааст, таҷдиди мо аз рӯйдодҳои эволютсионӣ дар ATGCҳо нишон медиҳад, ки суръати тахминии интиқол барои унсурҳои гуногуни генетикии мобилӣ (транспозонҳо, плазмидҳо ва профагҳо) аз суръати самараноки талафоти онҳо зиёдтар аст ва нишон медиҳад, ки сарфи назар аз талафоти тасодуфӣ дар наслҳои алоҳида, ин Элементҳо метавонанд дар биосфера муддати тӯлонии эволютсия устувор бошанд. Гузашта аз ин, мо дарёфтем, ки суръати интиқоли интиқодӣ барои устуворӣ, ки аз рӯи суръати тахминии самараноки талафот ҳисоб карда шудааст, ба тахмини назариявии суръати ҳадди ақали HGT, ки барои муқобила бо ратчети Мюллер лозим аст, наздик ё камтар аст, ки устувории паразитро бо пешгирии обшавии мутатсия мепайвандад ( сенарияи сеюм дар расми 3).

Натиҷаҳои ин кор ба андозаи бештар ё камтар ба пиндоштҳои модели муайяне такя мекунанд, ки мо барои равшанӣ дар ин ҷо ҷамъбаст мекунем. Аввалан, мо тахмин кардем, ки динамикаи паразитҳои генетикиро бо модели умумии таваллуд-марг-интиқол тавсиф кардан мумкин аст (барои тафсилот ба Маводи иловагии онлайн нигаред). Дар версияи умумии чунин модел, паразитҳо дар дохили геном паҳн мешаванд, аз геном гум мешаванд ва геномҳои навро бо суръате, ки аз фаровонии геномӣ ва популятсияҳои онҳо вобастаанд, сироят мекунанд, дар ҳоле ки геномҳои мизбон дар фитнесс, ки аз сарбории паразити онҳо вобастаанд, тафовут доранд. Барои соддагӣ, мо ҳама суръатҳоро ба рақами нусхаи паразит мутаносиб кардем, ки ба тахмине, ки ҳар як нусхаи паразит новобаста аз дигарон рафтор мекунад, баробар аст. Ин фарзия бо мушоҳидаи он, ки модели хаттии таваллуд-марг-интиқол ба таври таҷрибавӣ барои тақсимоти рақами нусхаи шумораи зиёди MGE дар геномҳои бактериявӣ мувофиқати хуб фароҳам меорад (Iranzo et al. 2014). Эҳтимол аст, ки рақамҳои зиёди нусхабардории паразитҳо метавонанд дар функсияи фитнес ғайрихаттӣ ба вуҷуд оранд (масалан, аз сабаби афзоиши ноустувории геномӣ, ки бо такрорҳои сершумор алоқаманданд) ё ба сер шудани сатҳи сироят оварда мерасонанд. Аммо, азбаски ҳадафи мо омӯхтани гузариш байни режимҳои нобудшавии паразитҳо ва зинда мондани паразитҳо буд, на ҳолатҳои паҳншавии шадиди паразитҳо, чунин таъсири шумораи зиёди нусхаҳо барои таҳқиқоти мазкур аҳамият надорад.

Дуюм, модели ратчети Мюллер, ки мо барои ҳисоб кардани h P P * истифода мебурдем, дар таҳияи аслии худ (Takeuchi et al. 2014) таъсири мултипликативии мутатсияҳои каме зарароварро ба фитнес пешбинӣ мекунад. However, because the approximations applied in the derivation of equations (3)–(6) only consider the classes of genomes with one and zero mutations, equivalent expressions would be obtained in the case of additive fitness. Furthermore, using equation (7) instead of ( 6), we worked with a simplified expression that is independent of the particular value of the fitness cost. An additional limitation of the original Muller’s ratchet model is that it is formulated for a constant size population. The inclusion of bottlenecks or size fluctuations would reinforce the impact of Muller’s ratchet, which implies that a higher HGT rate would be necessary to prevent genome degeneration, thus facilitating the persistence of parasites. In practice, because the model is implemented for a Wright–Fisher population, size fluctuations can be captured using the effective population size Нд as we did in the expressions above.

One potential amendment to the approach implemented here would involve explicit modeling of the dynamics of the genes that facilitate HGT (such as, for instance genes involved in conjugation). However, the great majority of prokaryotic genomes show clear signs of substantial HGT, suggesting that such an addition, although interesting in itself, is not essential.

Although parasite transmission implies the transfer of non-homologous genetic material, whereas prevention of Muller’s ratchet requires homologous recombination, both phenomena can result from the same basic processes, especially in the case of transposons and other parasites that do not encode an autonomous transfer machinery ( Darmon and Leach 2014 Hanage 2016). This notion is empirically supported, for example, by the association between the uptake of MGE and homologous material from core loci observed in antibiotic resistant strains of S. pneumoniae ( Hanage et al. 2009). In a similar vein, sub-lineages within the S. aureus major lineage ST239 show unusually high variation in recombination in both core loci and MGE, suggesting that the lineage-specific levels of eDNA acquisition and recombination simultaneously affect MGE and core genes ( Castillo-Ramirez et al. 2012). Although we have not explicitly invoked mobilization by MGE as a source of HGT for the cell, a significant correlation between the transfer rates of MGE and other genes was observed. Such correlation suggests the intriguing possibility that, apart from their persistence underpinned by the minimal essential HGT rate, the spread of MGE might be an important factor of microbial evolution that helps prokaryotes regain core genes that are occasionally lost during evolution.

Our results imply that prevention of Muller’s ratchet and maintenance of selfish elements are coupled through HGT. Accordingly, any prokaryotic genome that is free of genetic parasites is also expected to show signs of genome degeneration. This trend is indeed strikingly apparent in microbes whose life style leads to curtailment of HGT, such as obligate endosymbiotic bacteria ( Moran 1996 Mamirova et al. 2007 Moran et al. 2008). Насл Волбачия, a group of anciently host-restricted intracellular bacteria with reduced genomes (∼1 Mbp) and very small effective population sizes, seems particularly suitable to test the hypothesis. Arthropod-associated strains of Волбачия (e.g., those from Culex aculeatus ва Drosophila melanogaster) are known to coinfect hosts and undergo HGT ( Bordenstein and Wernegreen 2004 Baldo et al. 2006). These strains also host numerous prophages and functional copies of insertion sequences, suggestive of an ongoing activity of genetic parasites ( Wu et al. 2004 Cerveau et al. 2011 Duron 2013). In contrast, the strains from filarial nematodes (Brugia malayi ва Onchocerca ochengi) are transmitted in a strict vertical manner that (virtually) excludes HGT ( Bandi et al. 1998), and their genomes are characterized by the lack of prophages and functional insertion sequences ( Foster et al. 2005 Cordaux 2009). Based on the coupling between parasite maintenance and Muller’s ratchet prevention, we predict that this second group of Волбачия should exhibit signs of the effects of Muller’s ratchet, such as accumulation of mildly deleterious mutations. The other side of the coin is exemplified by Mycoplasma-related endobacteria: an association between parasite maintenance and avoidance of genome degeneration has been invoked to explain their evolutionary longevity as endosymbionts of mycorrhizal fungi ( Naito and Pawlowska 2016).

The estimates of the HGT/loss ratio indicate that not only genetic parasites but also most of the non-parasitic genes lie above the critical threshold ( fig. 2B and C) and hence typically persist in the population even in the absence of purifying selection. This observation suggests a fresh outlook on the “selfish gene” concept ( Doolittle and Sapienza 1980 Orgel and Crick 1980 Dawkins 2006). The ability of genes to evolve along trajectories distinct from those of the respective vehicles (hosts), is often viewed as a trait that evolved via gene-level selection (hence the perceived selfishness of the genes). The present results imply that the apparent ability of genes to persist via HGT even when they are neutral or slightly deleterious to the host is a by-product of the organism-level selection which maintains the level of eDNA intake sufficient to escape Muller’s ratchet. Then, extensive gene loss and genome streamlining that are most typical of parasitic and symbiotic bacteria but appear to also occur in some free-living microbes ( Lynch 2006b Wolf et al. 2012 Wolf and Koonin 2013) could be either signs of genome degeneration along the path to extinction driven by Muller’s ratchet or a manifestation of strong selection whereby certain categories of genes become deleterious to the organism. The present estimates also imply that the path to becoming a parasite is, in principle, open to any gene that is not strongly deleterious, without a need to evolve efficient propagation mechanisms from the start.

Blurring the lines between a genuine genomic parasite and a non-functional sequence, such as a pseudogene, implied by the present results, raises the question whether there exists a qualitative difference between these two types of entities. The major distinction appears to be that, upon entering a new cell, a parasite adds an intact, replication-competent copy of its genome to the host genome, whereas non-parasitic, non-functional elements are likely to lose their integrity by either integrating with the genome via homologous (or in rare cases, illegitimate) recombination or degrading. From this perspective, the critical barrier that limits the conversion of non-functional DNA into genuine selfish elements is the acquisition of mechanisms that allow them to maintain their integrity in the cells they enter. In agreement with this view, there is a broad spectrum of such mechanisms which include devices that facilitate the mobility of the elements (as in transposons), those that contribute to replication (as in self-synthesizing transposons and viruses) or those that make the host cell addicted to the element as in the case of toxin-antitoxin or restriction–modification (R–M) systems ( Kobayashi 2001 Van Melderen and Saavedra De Bast 2009 Koonin and Starokadomskyy 2016).

The trade-off between genome degeneration and parasite persistence constrains the strategies available to hosts and parasites in their everlasting race. Provided that the HGT rate cannot be reduced below a critical value without affecting the genome integrity, the remaining options for the host are (i) increasing the mutational bias towards deletions, thus pushing up the critical HGT rate for parasite persistence above the minimum needed to escape Muller’s ratchet ( fig. 3), (ii) decreasing the mutation rate у, thus lowering the minimal HGT rate required for Muller’s ratchet avoidance ( fig. 3), and (iii) evolving defense systems that discriminate between benign and parasitic elements upon DNA intake. The first strategy is consistent with the general observation that, in prokaryotes, deletions are more frequent than insertions and the rate of gene loss exceeds the rates of gene acquisition and gene duplication ( Andersson and Andersson 1999, 2001 Mira et al. 2001 Kuo and Ochman 2009). Accordingly, it has been proposed that such a strong deletion bias could even be an adaptive trait that is selected for the beneficial effect of parasite elimination ( Lawrence et al. 2001). However, our present analysis of effective loss rates in prokaryotic genomes shows that, despite the generalized loss bias, HGT rates are still high enough for parasites (and more generally, neutral sequences) to survive. Actually, because high deletion rates represent a burden for the maintenance of transitorily non-essential genes, an upper bound to the loss bias should exist that a cell can attain without compromising its long-term survival. The utility of the second choice, lowering the mutation rate, is limited by the power of genetic drift ( Lynch 2011 Sung et al. 2012). Finally, the third possibility for hosts is to achieve discrimination between harmless and deleterious DNA when it enters the cell, thus decoupling the parasite onslaught from the “benign” HGT that could result in acquisition of beneficial genes. Such self-non-self discrimination is a stiff challenge but can be partially achieved by R–M systems that target unmodified virus DNA but not DNA modified similarly to the host genome ( Pleska et al. 2016) and CRISPR-Cas systems at least some of which appear to specifically target actively replicating DNA ( Amitai and Sorek 2016). In a less specific manner, the bias of transformation toward the intake of shorter DNA molecules also has been proposed as a means to combat the spread of parasites ( Croucher et al. 2016).

Parasites can advance their long-term survival through three fundamentally distinct but not mutually exclusive strategies: (i) lowering the critical transfer rate that the parasites need to survive, which can be achieved by reducing the cost they inflict onto the host, (ii) increasing proliferation rate of the parasitic element inasmuch as this does not result in significant extra cost to the host, and (iii) raising the parasite transfer rate and making it independent of the host by evolving autonomous transmission mechanisms (this is the only alternative for highly deleterious elements). The two extreme strategies employed by MGE are represented by transposons (low cost, non-autonomous transmission) and lytic viruses (high cost, autonomous transmission), respectively. Temperate viruses employ bet-hedging by taking advantage of the first strategy, while keeping the ability to autonomously transmit under conditions where the survival of the host is compromised ( Maslov and Sneppen 2015). Indeed, some prophages provide benefits to their host, and superinfection inhibition can be interpreted as a means to avoid further reduction of the host fitness. Eventually, the “reduced costs” strategy is bounded by the energy cost associated to the replication of the additional genetic material ( Lynch and Marinov 2015) which likely sets a limit to the size of non-beneficial elements that do not encode autonomous transfer mechanisms.

An intriguing conclusion from the present analysis is that cell–parasite systems seem to exist near the edge of parasite inevitability. This phenomenon could be a co-evolutionary by-product of the long-term competition between cells and parasites: to avoid the spread of parasites, cells would tend to lower their HGT rates as much as possible without falling below the Muller’s ratchet threshold, which would keep the actual HGT rate not far above that threshold. Parasites then would evolve such that the minimum HGT rate needed for persistence drops below the HGT rate realized by cells. This race would lead to a situation with both critical HGT rates close to each other and hence to life on the edge of parasite inevitability.

The “inevitability of parasites” can be interpreted as a null model, a starting point underlying the arms race between cells and selfish elements. This starting condition highlights the necessity for cells to evolve defense mechanisms that allow them to maintain HGT rates compatible with the preservation of the genome integrity while limiting the intake of genetic parasites. Parasites, conversely, face the challenge of counteracting such self vs. non-self discrimination mechanisms or evolving their own means for autonomous transfer. Remarkably, this co-evolutionary race centered on controlling HGT, on the host side, and escaping the HGT control, on the parasite side, is a major source of evolutionary innovation and exaptation, as HGT mechanisms originally evolved by selfish elements as means of their spread end up being used by cells for their own benefit, in particular, anti-parasite defense ( Koonin and Krupovic 2015a, 2015b).


Реферат

The molecular basis of Muller's ratchet has been investigated using the important animal pathogen foot-and-mouth disease virus (FMDV). Clones from two FMDV populations were subjected to serial plaque transfers (repeated bottleneck events) on host BHK-21 cells. Relative fitness losses were documented in 11 out of 19 clones tested. Small fitness gains were observed in three clones. One viral clone attained an extremely low plating efficiency, suggesting that accumulation of deleterious mutations had driven the virus near extinction. Nucleotide sequence analysis revealed unique genetic lesions in multiply transferred clones that had never been seen in FMDVs isolated in nature or subjected to massive infections in cell culture. In particular, a frequent internal polyadenylate extension has identified a mutational hot spot on the FMDV genome. Furthermore, amino acid residue substitutions in internal capsid sites which are severely restricted during FMDV evolution, amounted to half of capsid replace- ments in the transferred clones. In addition, a striking dominance of non-synonymous replacements fixed upon large population infections of FMDV was not observed upon serial plaque transfers. The nucleotide sequence of the entire genome of a severely debilitated clone suggests that very few mutations may be sufficient to drive FMDV near extinction. The results provide an account of the molecular basis of Muller's ratchet for an RNA virus, and insight into the types of genetic variants which populate the mutant spectra of FMDV quasispecies.


Muller’s Ratchet Hypothesis

The term Muller’s Ratchet, was not actually termed by Muller himself, but actually by Joe Felsenstein in 1974, based on Muller’s idea. It is the process in which the genomes of an asexual population accumulate deleterious mutations in an irreversible manner (Muller, 1932) . Roth (2016) termed this idea to rank close to natural selection as a major contribution to explaining evolution, genetic adaptation and life itself. He also termed it to provide an explanation as to how natural selection limits genome size and may explain why genetic recombination became more prominent as biological complexity as well as the size of genomes increased.

In asexual populations, the loss is irreversible and the load of deleterious mutations increases, similar to the manner in which a ratchet performs, with the successive loss of the least-mutated individuals (Chao, 1990). Furthermore, asexual reproductive populations will carry at least one deleterious mutation of a gene, there will be no future genomes that will have no fewer mutations, resulting in accumulating mutations termed: сарбории генетикӣeventually causing extinction (Freeman and Herron, 2007). Sexual reproduction overcomes this problem through genetic recombination.

1) Kaiser and Charlesworth (2010) have explored the reasoning behind the degeneration of the Drosophila Miranda Neo-Y Chromosome. They found that the chromosome had lost approximately half of the genes that it originally contained. They showed that selection at nonsynonymous coding sites can accelerate the process of gene loss with this varying with the number of genes still present on the chromosome. This is a simple, conspicuous example that nicely explains Muller’s ratchet hypothesis.

2) The molecular basis of Muller’s ratchet has been explored using the animal pathogen foot-and-mouth disease. Clones from two of these populations were subjected to serial plaque transfers on host BHK-21 cells (Escarmiset al., 1996). Relative fitness losses were documented in 11 out of 19 clones tested. Small fitness gains were observed in three clones. One viral clone attained an extremely low plating efficiency, suggesting that accumulation of deleterious mutations had driven the virus near extinction. The results provide an account of the molecular basis of Muller’s ratchet for an RNA virus, and an insight into the types of genetic variants which populate the foot and mouth disease virus quasispecies.

3) Muller’s ratchet has now been known to operate on a non-segmented, non-recombining pathogenic RNA virus that occurs in animals and humans (Duarte et al., 1992). What Duarte et al. (1992) looked at was a genetic bottleneck passage of vesicular stomatitis virus (VSV) and then quantified relative fitness of the bottleneck clones by allowing replication competition in cultures of mixed infections. Variable fitness drops were detected following only 20 plaque-to-plaque transfers of VSV. There were no fitness changes detected in some clones. What was surprising was that the most regular and severe fitness losses occurred during virus passages on a new host cell type. These results show how Muller’s ratchet could have significant implications for variability of disease severity during virus outbreaks (Duarte et al., 1992). This is all very important and interesting research that could be carried further and allow scientists to find out more on the development of this hypothesis as well as it being important for world health.

4) As stated above, those that reproduce asexually, are at a disadvantage when evolving, according to Muller’s ratchet hypothesis. However, there are some Amoebae (e.g. Acanthamoeba ва Nageleria),that reproduce asexually and have escaped this hole through being polyploid (Maciver, 2016). By being polyploidy it reduces spontaneous mutation accumulation by gene conversion, the freshly mutated being corrected by the presence of multiple other wild-type copies. The amoebae can then reap the benefits of living in an asexually reproducing life that is both rapid and convenient. Further evidence of this mechanism comes from plants, archaea and bacteria that are polyploid (Maciver , 2016).

The Muller’s ratchet hypothesis is a well developed, well supported hypothesis across the scientific community. It is very useful in explaining how it is advantageous in sexual populations and also points out any floors it has for asexual populations, as well as providing proof that this may not be true. It provides good food for thought.


Max Planck scientist investigates the evolutionary model of Muller’s ratchet

From protozoans to mammals, evolution has created more and more complex structures and better-adapted organisms. This is all the more astonishing as most genetic mutations are deleterious. Especially in small asexual populations that do not recombine their genes, unfavourable mutations can accumulate. This process is known as Muller’s ratchet in evolutionary biology. The ratchet, proposed by the American geneticist Hermann Joseph Muller, predicts that the genome deteriorates irreversibly, leaving populations on a one-way street to extinction. In collaboration with colleagues from the US, Richard Neher from the Max Planck Institute for Developmental Biology has shown mathematically how Muller’s ratchet operates and he has investigated why populations are not inevitably doomed to extinction despite the continuous influx of deleterious mutations.

The great majority of mutations are deleterious. “Due to selection individuals with more favorable genes reproduce more successfully and deleterious mutations disappear again,” explains the population geneticist Richard Neher, leader of an independent Max Planck research group at the Max Planck Institute for Developmental Biology in Tübingen, Germany. However, in small populations such as an asexually reproducing virus early during infection, the situation is not so clear-cut. “It can then happen by chance, by stochastic processes alone, that deleterious mutations in the viruses accumulate and the mutation-free group of individuals goes extinct,” says Richard Neher. This is known as a click of Muller’s ratchet, which is irreversible – at least in Muller’s model.

Muller published his model on the evolutionary significance of deleterious mutations in 1964. Yet to date a quantitative understanding of the ratchet’s processes was lacking. Richard Neher and Boris Shraiman from the University of California in Santa Barbara have now published a new theoretical study on Muller’s ratchet. They chose a comparably simple model with only deleterious mutations all having the same effect on fitness. The scientists assumed selection against those mutations and analyzed how fluctuations in the group of the fittest individuals affected the less fit ones and the whole population. Richard Neher and Boris Shraiman discovered that the key to the understanding of Muller’s ratchet lies in a slow response: If the number of the fittest individuals is reduced, the mean fitness decreases only after a delay. “This delayed feedback accelerates Muller’s ratchet,” Richard Neher comments on the results. It clicks more and more frequently.

Equilibrium of mutation and selection processes: A population can be divided into groups of individuals that carry different numbers of deleterious mutations. Groups with few mutations are amplified by selection but loose members to other groups by mutation. Groups with many mutations don't reproduce as much, but gain members by mutation. © Richard Neher/MPI for Developmental Biology

“Our results are valid for a broad range of conditions and parameter values – for a population of viruses as well as a population of tigers.” However, he does not expect to find the model’s conditions one-to-one in nature. “Models are made to understand the essential aspects, to identify the critical processes,” he explains.

In a second study Richard Neher, Boris Shraiman and several other US-scientists from the University of California in Santa Barbara and Harvard University in Cambridge investigated how a small asexual population could escape Muller’s ratchet. “Such a population can only stay in a steady state for a long time when beneficial mutations continually compensate for the negative ones that accumulate via Muller’s ratchet,” says Richard Neher. For their model the scientists assumed a steady environment and suggest that there can be a mutation-selection balance in every population. They have calculated the rate of favorable mutations required to maintain the balance. The result was surprising: Even under unfavorable conditions, a comparably small proportion in the range of several percent of positive mutations is sufficient to sustain a population.

These findings could explain the long-term maintenance of mitochondria, the so-called power plants of the cell that have their own genome and divide asexually. By and large, evolution is driven by random events or as Richard Neher says: “Evolutionary dynamics are very stochastic.”


The Vast, Ancient World of Viruses

Viruses are no part of the modern synthesis or more generally the traditional narrative of evolutionary biology. Until very recently, viruses have been viewed primarily as pathogens of animals, plants, and bacteria. Several lines of recent discovery have radically changed this view and promoted viruses to a central position on the stage of evolution. This change in the evolutionary status of viruses and related selfish genetic elements has been discussed in detail elsewhere (Claverie, 2006 Koonin et al., 2006, 2011 Raoult and Forterre, 2008). Here we quickly recapitulate several key points, with a focus on the importance of viruses for evolutionary biology in general. Metagenomic and ecological genomics studies have shown that, astonishingly, viruses are the most common biological entities on earth (Edwards and Rohwer, 2005 Suttle, 2005, 2007). Viruses and/or virus-like mobile elements are present in all cellular life forms. Strikingly, in mammals sequences derived from mobile elements and endogenous viruses account for at least 50% of the genome whereas in plants this fraction can reach 90% (Feschotte et al., 2002 Kazazian et al., 2004 Devos et al., 2005 Hedges and Batzer, 2005). Even the genomes of some unicellular eukaryotes, such as Trichomonas vaginalis, consist mostly of inactivated transposons (Carlton et al., 2007 Pritham et al., 2007). Recruitment of mobile element sequences for transcription regulation and other cellular functions such as microRNA formation is a common phenomenon the full extent of which is not yet fully appreciated (Jordan et al., 2003 Piriyapongsa et al., 2007 Lisch and Bennetzen, 2011). Although genomes of prokaryotes are not so overwhelmed by mobile elements, due to the intense purifying selection, nearly all of them encompass multiple prophages and mobile elements. Notably, deletion of all prophages leads to a substantial drop of fitness in E. coli (Wang et al., 2010).

In at least some common environments such as ocean water and soil, the number of virus particles exceeds the number of cells by factors of 10� (Edwards and Rohwer, 2005 Suttle, 2007 Srinivasiah et al., 2008 Breitbart, 2012). Similarly, the genetic diversity of viruses, measured as the number of distinct genes, substantially exceeds the genetic diversity of cellular life forms. Furthermore, viruses, in particular bacteriophages, are major biogeochemical agents. Periodical killing of microbes, in particular cyanobacteria, has been identified as a major contributor to sediment formation and major contributors to the nutrient cycles in the biosphere (Suttle, 2007 Rohwer and Thurber, 2009). The same process obviously is a key determinant of the population dynamics of the hosts that shapes the selection-drift balance throughout the course of evolution (Weinbauer and Rassoulzadegan, 2004).

The very fact that viruses greatly outnumber bacteria in the environment implies that antivirus defense systems are central to the evolution of bacteria and archaea. This is indeed the case as made evident by the remarkable proliferation of diverse antivirus systems including CRISPR-Cas discussed above as well as multiple restriction-modification, abortive infection, toxin-antitoxin and other, still poorly characterized defense systems that in different combinations and with different abundances are present in most prokaryotes (Juhas et al., 2009 Labrie et al., 2010 Makarova et al., 2011 Martinez-Borra et al., 2012). Taken together, these findings and theoretical considerations strongly support the view that the virus-host arms race is one of the principal processes in all evolution (Forterre and Prangishvili, 2009 Stern and Sorek, 2011).

With regard to the classification of life forms, the only defensible position appears to be that viruses (and related mobile elements) and cells are the two principal categories of biological organization (Figure 7) (Raoult and Forterre, 2008 Koonin, 2010 O'Malley and Koonin, 2011) this view is independent of the semantic issue of viruses being 𠇊live” or not (Koonin et al., 2009 Moreira and Lopez-Garcia, 2009 Raoult, 2009). These two categories of biological entities can be characterized as informational (genetic) parasites, i.e., viruses and other selfish elements, and genetically self-sustained organisms, i.e., cellular life forms. Mathematical modeling indicates that genetic parasites inevitably emerge in any replicator system (Szathmary and Maynard Smith, 1997 Takeuchi and Hogeweg, 2012). This conclusion is certainly intuitively plausible: one expects that cheaters will appear in any system with limited resources—in particular, in any system of replicators, such parasites will attempt to utilize the replication machinery without making it (Koonin and Martin, 2005). Also, the notion that virus-like selfish elements are an intrinsic part of life since its inception [which can be reasonably considered to coincide with the origin of replication (O'Malley and Koonin, 2011)] is compatible with the ubiquity of these elements in nature. In mathematical modeling, the outcome of the virus-host interaction depends on the specific parameters of the adapted model. In homogeneous models, virus-like parasites tend to cause collapse of the entire systems but in models with compartmentalization, which are most relevant for the actual evolution of life, stable host-parasite coexistence is possible (Takeuchi and Hogeweg, 2009). Moreover, the destructive effect of genetic parasites on the host is mitigated when a dedicated genetic information storage medium evolves, which could be one of the driving forces behind the evolution of DNA in the primordial RNA world (Takeuchi et al., 2011).

Figure 7. The viral and cellular 𠇎mpires” of life forms and domains within them. The cellular empire domains: A, Archaea B, Bacteria E, Eukaryota. The Virus empire domains: +R, positive-strand RNA viruses −R, negative-strand RNA viruses dsR, double-stranded RNA viruses dsD, double-stranded DNA viruses ssD, single-stranded DNA viruses RT, retro-transcribing elements/viruses VR, viroids.

Further support for the classification of viruses as one of the two 𠇎mpires” of life is the diversity of the replication-expression cycles that is found among viruses and related elements. Indeed, while cellular life forms all use a uniform replication-expression strategy based on double-stranded (ds)DNA replication, transcription of genes into mRNA or non-coding RNA, and translation of mRNA into protein, viral genome can be represented by all known forms of nucleic acids, and alternative replication processes such as RNA replication and reverse transcription are widely used (Figure 7) (Koonin et al., 2006). Finally, although viral genomes are generally small compared to the genomes of cellular life forms (viruses being the ultimate genetic parasites), the range of genomic complexity is remarkable, from only about 300 nucleotides and no genes in the simplest virus-like parasites, the viroids, to over a megabase and more than 1000 genes (genomes that are more complex than those of many bacterial parasites and symbionts) in the giant mimiviruses (Raoult et al., 2004 Colson et al., 2012). Overall, the conclusion is inescapable that the entire history of life is a story of perennial interplay between genetic parasites and their hosts that is a major driver of evolution for both biological empires.


In 1931, geneticist Hermann Joseph Muller gave a speech at a scientific conference in New Orleans, Louisiana. In his remarks, Dr. Muller proposed a theory to answer a long-standing and controversial question: why do so many organisms use sexual reproduction &hellip Continue reading &rarr

So this molecular biologist started a blog…

I also blog at BitesizeBio, a resource and news site for biologists of all stripes. Here's a list of the articles I've written so far for them!


Видеоро тамошо кунед: Top 5 Funny Müller Moments - Advent Calendar 2015 Number 9 (Ноябр 2022).