Məlumat

Mutasiya dərəcəsi və Təkamül sürəti?

Mutasiya dərəcəsi və Təkamül sürəti?


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.

O zaman arasında nə fərq var? Mən mutasiya nisbətləri ilə bağlı təhlili təsvir edən bəzi işlərlə təkamül sürəti olan digər işləri oxudum. O vaxtlar arasındakı fərqi bilmək istəyirəm.


Mutasiya dərəcəsi

Mutasiya dərəcəsi mutasiyanın baş vermə sürətidir. Bu, adətən reproduksiya hadisəsi başına hər bir sahə üzrə mutasiyaların sayı (nükleotid başına) kimi ifadə edilir. İnsanlarda, reproduksiya başına hər bir sahəyə düşən orta mutasiya nisbəti 1-ci dərəcədir $10^{-8}$.

Bir mutasiya baş verdikdə, populyasiyada yalnız bir nüsxədə mövcud olacaqdır. Bu mutasiyalar zaman keçdikcə daha yüksək tezlikə çata bilər və hətta nəticədə 1.0 tezliyinə çata bilər (biz o zaman “fiksasiya” haqqında danışırıq), lakin əksər mutasiyalar heç vaxt yüksək tezlikə çatmayacaq və seçimdən asılı olmayaraq gələcək bir neçə nəsildə yox olacaq. zərərli idi.

Təkamül sürəti

"Təkamül sürəti" termininin ümumi razılaşdırılmış tərifi yoxdur. Tərifinizdən asılı olaraq mutasiya sürəti təkamül sürəti ilə daha çox və ya daha az əlaqəli olacaqdır.

Fenotipik təkamül sürəti

Təkamül dərəcəsi fenotipik təkamülə aid ola bilər. Darvin (açıqcası Çarlz Darvinin adını daşıyır) fenotipik təkamülü ölçmək üçün ümumi vahiddir. Təkamül sürətinin digər vahidi orta fenotipik əlamətin orijinal fenotipik paylanmanın bir standart sapması ilə dəyişməsi üçün nə qədər vaxt tələb olunduğunu ölçməkdən ibarət ola bilər.

Genetik təkamül dərəcəsi

Təkamül sürətinin genetik ölçüsünü də nəzərdən keçirmək olar, məsələn, zaman vahidi başına bir nəsildə neytral əvəzetmələrin sayı. Bu təriflə mutasiya sürəti ilə təkamül sürəti arasındakı fərq bir az daha bulanıq olur, çünki neytral yerdə gözlənilən əvəzetmə sürəti mutasiya sürətinə bərabərdir.

Həmişə mənbənizi göstərin!

Deyirsen

Mən təhlili təsvir edən bəzi işləri oxudum

Zəhmət olmasa, həmişə mənbənizi daxil edin. Orijinal sənədə nəzər salmadan bu terminlərlə nə demək istədikləri barədə heç bir məlumat vermək mümkün deyil.

Əlaqədar yazı

Post Biz indiki bakteriyalardan “daha ​​təkamül etmişik”mi? bir qədər əlaqədardır.


Yüksək mutasiya nisbətləri Escherichia coli-də təkamül uyğunlaşmasını məhdudlaşdırır

Mutasiya təkamül üçün əsasdır, çünki o, seçimin təsir göstərə biləcəyi genetik variasiya yaradır. Təbiətdə genetik dəyişikliklər tez-tez virus və bakteriyalardan insan şişlərinə qədər sistemlərdə mutasiya sürətini artırır. Belə bir artım tez-tez zərərli və ya neytral allellərin yığılmasına kömək edir, eyni zamanda populyasiyanın nadir faydalı allelləri əldə etmə şansını da artıra bilər. Burada Escherichia coli-nin genomik mutasiya nisbətində 100 dəfəyə qədər artımın adaptiv təkamülə necə təsir etdiyini öyrənirik. Bunu etmək üçün laboratoriyada 3000 nəsil üçün dörd fərqli mutasiya sürətinə malik olmaq üçün hazırlanmış aseksual E. coli ştammlarının çoxsaylı təkrar populyasiyalarını təkamül etdik. Biz inkişaf etmiş populyasiyaların orijinal mühitlərində və 90-dan çox yeni kimyəvi mühitdə böyümək qabiliyyətini ölçdük. Bundan əlavə, biz populyasiyaları bütün genom populyasiya ardıcıllığına məruz qoymuşuq. Daha yüksək mutasiya nisbətinə malik olan populyasiyalar daha çox genetik müxtəliflik toplasa da, bu müxtəliflik yalnız populyasiyaların daha sürətli uyğunlaşdığı və bəzi yeni mühitlərdə öz əcdadlarından daha yaxşı inkişaf etdiyi cüzi dərəcədə artan mutasiya dərəcələri üçün fayda verdi. Bunun əksinə olaraq, ən yüksək mutasiya sürətinə malik bəzi populyasiyalar təkamül zamanı uyğunlaşmanın azaldığını göstərdi və 90 alternativ mühitin hamısında inkişaf edə bilmədi. Bundan əlavə, onlar mutasiya nisbətində kəskin azalma yaşadılar. Bizim işimiz göstərir ki, mutasiya dərəcəsi fitnəyə zərərli və faydalı mutasiya təsirləri arasında qlobal tarazlığı dəyişir. Əksər nəzəri modellərdən fərqli olaraq, təcrübələrimiz göstərir ki, bu uçma nöqtəsi artıq vəhşi təbiətdə rast gəlinən cüzi mutasiya sürətlərində baş verir.

Maraqların toqquşması bəyanatı

Müəlliflər heç bir rəqabət aparan maraqların olmadığını bəyan ediblər.

Rəqəmlər

Şək 1. Eksperimental dizayn.

Şək 1. Eksperimental dizayn.

Dördün hər biri üçün səkkiz təkrar populyasiya inkişaf etdirdik E .…

İnkişaf edən replikanın uyğunluğu...

Zamanla inkişaf edən təkrar populyasiyaların əcdadlarına nisbətən uyğunluğu (A),…

Şəkil 3. Daha yüksək mutasiyaya malik populyasiyaları təkrarlayın...

Şəkil 3. Daha yüksək mutasiya nisbətləri olan replika populyasiyalar genetik müxtəlifliyi artırmış və daha yüksək…

Şəkil 4. 24 saatdan sonra hüceyrə sıxlığı…

Şəkil 4. Stressli şəraitdə 24 saatlıq böyümədən sonra hüceyrə sıxlığı artan…


Populyasiya darboğazlarının aseksual populyasiyalarda mutasiya sürətinin təkamülünə təsiri

Rekombinasiya olmadıqda, mutator alleli onun genetik fonunda görünən faydalı mutasiyalarla avtostopla populyasiyaya yayıla bilər. Son onillikdə aparılan nəzəri tədqiqatlar göstərdi ki, faydalı mutasiyaların sağ qalma və fiksasiya ehtimalı populyasiya ölçüsünün darboğazları ilə ciddi şəkildə azaldıla bilər. Burada populyasiya darboğazlarının aseksual populyasiyaların uyğunlaşdırılmasında mutator dinamikasına təsir edib-etmədiyini araşdırmaq üçün maya S. cerevisiae ilə hesablama modelləşdirmə və təkamül təcrübələrindən istifadə edirik. Simulyasiyada biz göstəririk ki, populyasiya darboğazları faydalı mutasiyalarla mutator avtostopa mane ola bilər və daha aşağı faydalı mutasiya tədarük dərəcələrində ən təsirli olur. Daha sonra eyni effektiv populyasiya ölçüsündə çoxaldılmış mayaların eksperimental populyasiyalarını üç fərqli darboğaz rejiminə tabe etdik və nəzəri gözləntilərimizə uyğun olaraq mutator avtostopunun sürətinin kiçik darboğazlarda əhəmiyyətli dərəcədə yavaş olduğunu müşahidə etdik. Beləliklə, əldə etdiyimiz nəticələr göstərir ki, darboğazlar mutasiya sürətinin təkamülündə mühüm amil ola bilər və müəyyən hallarda aseksual populyasiyalarda mutasiya nisbətlərinin mütərəqqi yüksəlişini sabitləşdirmək və ya ən azı gecikdirmək üçün fəaliyyət göstərə bilər. Əlavə olaraq, tapıntılarımız populyasiya darboğazlarının faydalı mutasiyalara nəzəri cəhətdən əsaslandırılmış təsiri üçün ilk eksperimental dəstəyi təmin edir və fitnə təsir edən mutasiyaların əsas dinamikasını anlamaq üçün mutator tezlik dinamikasının öyrənilməsinin faydalılığını nümayiş etdirir.

Açar sözlər: aseksual populyasiyalar faydalı mutasiyalar avtostop mutasiya nisbəti əhali darboğazları maya.

© 2013 Müəlliflər. Journal of Evolutionary Biology © 2013 Avropa Təkamül Biologiyası Cəmiyyəti.

Rəqəmlər

Şəkil 1. Əhali darboğazlarının təsiri…

Şəkil 1. Əhali darboğazlarının müxtəlif tədarük dərəcələrində mutator dinamikasına təsiri…

Şəkil 2. Faydalı mutasiyaların seçim gücü…

Şəkil 2. Faydalı mutasiyaların seçim gücü və darboğazlı populyasiyalarda mutator dinamikası


Mutasiya dərəcəsinin təkamülü ilə bir parazit populyasiyasının təkamüllə xilas edilməsi

Parazitlərdə antibiotik müqavimətinin təkamül riski ictimai sağlamlıq üçün əsas problemdir. Antibiotik müqavimətinin təkamülünü təşviq edən amillərin müəyyən edilməsi təkamül təbabətində prioritet məsələdir. Yeni mutasiyaların parazit populyasiyasına daxil olma sürəti vacib proqnozlaşdırıcılardan biridir, lakin mutasiya dərəcəsi tez-tez güman edildiyi kimi mütləq sabit bir miqdar deyil, özü təkamül edə bilər. Burada mutasiya sürətinin təkamülünün ev sahibi populyasiyada dolaşan, dərmanlarla müalicə olunan və istifadəsi zamanla dəyişən xəstəliyin taleyinə mümkün təsirlərini araşdırırıq. Təkamüllü xilasetmə çərçivəsindən istifadə edərək, mutasiya sürətinin təkamülünün parazit populyasiyasının yalnız məhdud bir bölgədə müalicədən sağ qalma ehtimalını dramatik şəkildə artırdığını, digər bölgələrdə isə az və ya heç bir üstünlük təmin etmədiyini görürük. Həm infeksiyanın virulentliyi kimi epidemioloji xüsusiyyətlər, həm də rekombinasiya dərəcəsi kimi populyasiyanın genetik parametrləri təkamüllə xilasetmə ehtimalını və mutasiya sürətinin təkamülünün təkamül xilasetmə ehtimalını artırıb-artırmadığını müəyyən etməkdə mühüm rol oynayır. Parazitlərdə mutasiya sürətinin təkamülünü azaltmaq səyləri bəzi şərtlərdə dəyərli ola bilsə də, bizim nəticələrimiz bunun həmişə belə olmamalı olduğunu göstərir.

Açar sözlər: Dərman müqaviməti Təkamül xilasetmə Modifikator modeli Mutasiya dərəcəsi Parazitlər.


Giriş

Mutasiya təkamülün əsasını təşkil edir. Onsuz təkamül baş verə bilməz, çünki mutasiya seleksiya və genetik sürüşmə üçün lazım olan genetik dəyişkənliyi təmin edir. Fərddəki hər yeni mutasiya onun fiziki hazırlığını artıra, uyğunluğunu azalda bilər və ya uyğunluğuna heç bir təsir göstərə bilməz. Təəssüf ki, fitnes effektləri olan mutasiyaların əksəriyyəti zərərlidir və fitnes səviyyəsini artıran faydalı mutasiyalar bütün mümkün mutasiyaların yalnız kiçik bir hissəsini təşkil edir [1]. Mutasiya sürəti özü təkamül edə bilər, çünki o, DNT-nin replikasiya və təmir sistemlərini kodlayan genomun bir hissəsi olan “mutasiya dərəcəsi genomunda” genetik dəyişikliyə məruz qalır [2,3]. Burada biz aseksualların çoxsaylı replikativ populyasiyalarının təkamülü ilə bir sıra mutasiya dərəcələrinin uyğunlaşmaya uzunmüddətli təsirini, həmçinin mutasiya dərəcəsinin özünün təkamülünü xarakterizə edirik. Escherichia coli laboratoriyada minimal mühitdə.

Bizimki kimi rekombinasiya etməyən böyük populyasiyalarda artan mutasiya təzyiqi altında təkamül adaptasiyası keçmiş işlərdə tədqiq edilmişdir (bizim orqanizmimizdə baş verən bütün mutasiyalar E. coli laboratoriya ştammının genomu bağlıdır). Mutasiya və əlaqənin seleksiyaya birgə təsiri (və əlaqəli müxtəliflik və cinsin təkamülü mövzuları) Fisher [4] və Muller [5] ([6-10], bu yaxınlarda [11-14]-də nəzərdən keçirildikdən sonra çox öyrənilmişdir. ]). Artan mutasiya təzyiqi altında bir populyasiyada çoxsaylı klonlar yeni mutasiyalar əldə edə və sonra fiksasiya üçün bir-biri ilə rəqabət apara bilər. Müvafiq tədqiqatlar uyğunlaşma sürətinin genomik mutasiya sürəti [10,15-18] ilə arta biləcəyini göstərsə də, son dərəcə yüksək mutasiya nisbətlərinin uyğunlaşmaya mane ola biləcəyi ehtimalını açıq qoyurlar. Bu ehtimal, həddindən artıq mutasiya nisbətləri olan populyasiyalarda uyğunluğun azalmasını proqnozlaşdıran müxtəlif modellər tərəfindən qaldırılır. Erkən, təsirli, lakin sadə bir model, mutasiya sürətinin dəyəri model detallarından asılı olan kritik “səhv həddini” [19] aşdıqda populyasiyanın uyğunluğunun azalacağını proqnozlaşdırırdı. Yüksək mutasiya sürəti ilə inkişaf edən populyasiyaların digər modelləri daha realdır və faydalı mutasiyalar və demoqrafiya kimi hadisələri nəzərə alır. Bununla belə, onlar həmçinin zərərli mutasiyaların təsiri ilə uyğunlaşmanın yavaşlatıla biləcəyini və nəticədə kifayət qədər yüksək mutasiya sürətlərində geri dönə biləcəyini proqnozlaşdırırlar [20-24].

Bir çox tədqiqat müəyyən şərtlərdə inkişaf edə bilən artan mutasiya nisbətlərinin təkamülünü sənədləşdirmişdir [25-31]. Məsələn, yeni uyğunlaşmalar və yeni faydalı mutasiyalar [32,33] üçün imkanlar yaradan bu yaxınlarda baş verən ətraf mühit dəyişikliyindən sonra mutator alleli olan hüceyrənin vəhşi tip mutasiya sürətinə malik hüceyrədən daha böyük effektli faydalı mutasiyalar əmələ gətirmə ehtimalı daha yüksəkdir. . Təkmilləşdirilmiş uyğunluq sayəsində yeni əldə edilmiş faydalı allelləri (və onlarla əlaqəli mutator allelləri) olan hüceyrə nəsilləri populyasiyada tezliyi artıra bilər. Beləliklə, mutator allelləri faydalı mutasiyalarla fiksasiyaya getdikdə hipermutasiya asanlıqla inkişaf edə bilər [34-37].

Uzunmüddətli perspektivdə isə hipermutasiya zərərli ola bilər, çünki neytral olmayan mutasiyaların əksəriyyətinin zərərli nəticələri var [1]. Beləliklə, daha yüksək mutasiya nisbəti olan bir şəxs ümumilikdə daha zərərli mutasiyalar toplaya bilər ki, bu da daha aşağı uyğunluqla nəticələnə bilər. Bu səbəbdən seleksiyanın mutasiya nisbətlərini azaltması proqnozlaşdırılır [38]. Bununla belə, mutasiya nisbətlərinin sıfıra enməməsinin bir neçə potensial səbəbi var. Onlardan biri odur ki, replikasiya sədaqətini və DNT təmirini yaxşılaşdırmaq üçün tələb olunan fizioloji mexanizmlər uyğunluq xərclərini daşıyır [39-42]. Başqa bir cəhət ondan ibarətdir ki, seleksiyanın mutasiya sürətini azaltmaq gücü sözdə drift-baryer [43,44] vasitəsilə əhalinin sayı ilə məhdudlaşır. Mutasyon nisbətində inkişaf etmiş azalmaların eksperimental müşahidələri bildirilmişdir, lakin nisbətən nadirdir [27,31,45-50] ([51]-də nəzərdən keçirilmişdir).

Bəzi əvvəlki təcrübələr artan mutasiya təzyiqi [46-48,50] altında baş verə biləcək uyğunlaşma reaksiyaları və mutasiya dərəcəsi dəyişikliklərini araşdırsa da, onlar bir və ya iki mutasiya sürətinə diqqət yetirmiş və genomik analizləri ([50] istisna olmaqla) daxil etməmişdir. Burada, bütün genom populyasiyası ardıcıllığı məlumatları, mutasiya dərəcəsi məlumatları və bir sıra mühitlərdə fitnes ölçmələri daxil olmaqla, bir sıra mutasiya dərəcələri üzrə unikal hərtərəfli empirik məlumat təqdim etməyə çalışdıq. Bunu etmək üçün dörd izogen mühəndislik yaratdıq E. coli Artan mutasiya dərəcələri ilə K12 MG1655 törəmə suşları və seriyalı köçürmə təcrübəsində 3000 nəsil üçün hər bir ştamın səkkiz təkrar populyasiyasını təkamül etdi. Genomik mutasiya dərəcələri bu suşlar arasında yüz dəfədən çox fərqlənirdi U = 0,00034-ə qədər U = bir qiymətləndirmə üsulu ilə hər nəsildə genom başına 0,036 nöqtəli mutasiyalar. Təkamül zamanı biz dövri olaraq hər bir populyasiyanın artım sürətini və stasionar əhali sıxlığını xarakterizə etdik. Biz həmçinin müxtəlif stresli mühitlərdə inkişaf etmiş populyasiyaların uyğunluğunu yoxladıq. Yüksək məhsuldarlıqlı populyasiya ardıcıllığı bizə populyasiyalarımızın ardıcıllıq məkanında nə qədər yayıldığını xarakterizə etməyə və hər bir populyasiyada baş verən mutasiyaları öyrənməyə imkan verdi.


Nəticələr

Hər bir populyasiyada müşahidə edilən mutasiyaların məcmu sayı həm hipermutator, həm də antimutator allellərin yaratdığı dinamikanı ortaya qoyur.

Biz hər bir LTEE populyasiyasında zamanla müşahidə edilən mutasiyaların sayını araşdırdıq (şək. 1 və 2, əlavə əncirlər. S1-S3, Əlavə material online). Bu nəticələr göstərir ki, mutasiya dərəcələri LTEE üzərində özünəməxsus şəkildə inkişaf etmişdir. Şəkil 1A hər bir populyasiyada zamanla nöqtə mutasiyalarının sayını göstərir. Müşahidə olunan nöqtə mutasiyalarının dərəcəsi altı hipermutator populyasiyasından üçündə (Ara−2, Ara+3 və Ara+6) azalıb. Bu populyasiyalarda molekulyar təkamül sürətinin azalması əvvəllər antimutator allellərin təkamülü ilə əlaqələndirilirdi (Tenaillon et al. 2016 Good et al. 2017). Antimutator allellərinə baxmayaraq mutY qüsurların kompensasiyası mutT Ara−1-də bildirilmişdir (Welgoss et al. 2013), Ara−1-də 40.000 nəsildə müşahidə edilən yamacın dəyişməsi Ara−2, Ara+3 və Ara+6-da yamac dəyişiklikləri ilə müqayisədə incədir.

LTEE-də mutasiya dərəcələrinin fərqli təkamülü. Hər bir panel hər LTEE populyasiyasında zamanla mutasiya sinfinə bölünən müşahidə edilən mutasiyaların məcmu sayını göstərir. Ən yaxşı altı panel qeyri-mutator LTEE populyasiyalarını, aşağı altı panel isə hipermutator LTEE populyasiyalarını göstərir. (A) Nöqtə mutasiyaları qırmızı rənglə göstərilmişdir. (B) İndel mutasiyaları bənövşəyi rəngdə göstərilir. (C) transpozonlarla əlaqəli sv yaşıl, transpozonlarla əlaqəli olmayanlar isə boz rəngdə göstərilir.

LTEE-də mutasiya dərəcələrinin fərqli təkamülü. Hər bir panel hər LTEE populyasiyasında zamanla mutasiya sinfinə bölünən müşahidə edilən mutasiyaların məcmu sayını göstərir. Ən yaxşı altı panel qeyri-mutator LTEE populyasiyalarını, aşağı altı panel isə hipermutator LTEE populyasiyalarını göstərir. (A) Nöqtə mutasiyaları qırmızı rənglə göstərilmişdir. (B) İndel mutasiyaları bənövşəyi rəngdə göstərilir. (C) transpozonlarla əlaqəli sv yaşıl, transpozonlarla əlaqəli olmayanlar isə boz rəngdə göstərilir.

Hipermutator və antimutator allellərinin dinamikası zamanla müşahidə olunan nöqtə mutasiyalarının spektrinə təsir göstərir. (A) Hipermutator LTEE populyasiyalarında zamanla nöqtə mutasiyalarının spektri. (B) Hipermutator LTEE populyasiyalarında zamanla qeyri-dominant nöqtə mutasiya spektrlərini göstərən daxili rəqəm.

Hipermutator və antimutator allellərinin dinamikası zamanla müşahidə olunan nöqtə mutasiyalarının spektrinə təsir göstərir. (A) Hipermutator LTEE populyasiyalarında zamanla nöqtə mutasiyalarının spektri. (B) Hipermutator LTEE populyasiyalarında zamanla qeyri-dominant nöqtə mutasiya spektrlərini göstərən daxili rəqəm.

Şəkil 1B hər bir populyasiyada zamanla müşahidə edilən indel mutasiyaların sayını göstərir. Altı nöqtəli mutasiya hipermutator populyasiyasından beşi də indel hipermutator fenotipini göstərir. Bu beş populyasiyanın hamısı uyğunsuzluğun təmirində (MMR) qüsurlar inkişaf etdirdi (cədvəl 1 və şəkil 4). İstisna, çərçivə dəyişikliyini inkişaf etdirən Ara−1-dir mutT allel (cədvəl 1 və şək. 3) yüksək nöqtəli mutasiya sürətini induksiya edir, müvafiq indel hipermutator fenotipi yoxdur.

Hipermutator LTEE populyasiyalarında oksidləşdirici zədələnmiş allelləri bərpa edir. Bu vizuallaşdırma Good et al-ın kompüter kodundan istifadə edir. (2017). Ulduzlar mutasiyaların zaman seriyasında görünməsinin etibarlı şəkildə təxmin edildiyi vaxtı (və allel tezliyini) göstərir. Hipermutator populyasiyalarında müşahidə edilən bütün mutasiyalar üçün allel tezlik traektoriyaları boz rəngdə göstərilmişdir. Oksidləşdirici zərərin bərpası genlərindəki de novo mutasiyaların (sinonim mutasiyalar istisna olmaqla) allel tezlik trayektoriyaları (əlavə fayl 1, Əlavə material onlayn) hər bir populyasiyada rənglənir və etiketlənir.

Hipermutator LTEE populyasiyalarında oksidləşdirici zədələnmiş allelləri bərpa edir. Bu vizuallaşdırma Good et al-ın kompüter kodundan istifadə edir. (2017). Ulduzlar mutasiyaların zaman seriyasında görünməsinin etibarlı şəkildə təxmin edildiyi vaxtı (və allel tezliyini) göstərir. Hipermutator populyasiyalarında müşahidə edilən bütün mutasiyalar üçün allel tezlik traektoriyaları boz rəngdə göstərilmişdir. Oksidləşdirici zərərin bərpası genlərindəki de novo mutasiyaların (sinonim mutasiyalar istisna olmaqla) allel tezlik trayektoriyaları (əlavə fayl 1, Əlavə material onlayn) hər bir populyasiyada rənglənir və etiketlənir.

Mətndə təsvir olunan ehtimal olunan hipermutator və antimutator allelləri

Əhali. Gen . DNT təmir yolu. Görünüş vaxtı (nəsillər) . Vəzifə (bp) . Mutasiya.
Ara−1 uvrCOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 1,972,086 Q183P
Ara−1 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 114,034 (C)6→7
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 28,750 2,988,792 L40W
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 32,250 2,989,164 L164*
Ara−2 mutLMMR 2,250 4,375,786 (TGGCGC)3→4
Ara−2 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 12,250 4,251,585 A407T
Ara−2 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 13,750 114,113 R89H
Ara−2 mutLMMR *Bu çərçivədaxili reversiya 42.250 nəsildə düzəldilir 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara−3 mutSMMR 34,750 2,753,768 Q606*
Ara−3 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 48,250 2,989,624 Δ1 bp
Ara−4 mutLMMR 7,250 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara+3 mutSMMR 2,750 2,752,473 +G
Ara+6 mutSMMR 1,250 2,752,473 +G
Ara+6 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 4,250,341 I821M
Ara+6 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 114,034 (C)6→5
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 31,750 2,988,917 Y82D
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 49,750 2,989,297 C208W
Əhali. Gen . DNT təmir yolu. Görünüş vaxtı (nəsillər) . Vəzifə (bp) . Mutasiya.
Ara−1 uvrCOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 1,972,086 Q183P
Ara−1 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 114,034 (C)6→7
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 28,750 2,988,792 L40W
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 32,250 2,989,164 L164*
Ara−2 mutLMMR 2,250 4,375,786 (TGGCGC)3→4
Ara−2 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 12,250 4,251,585 A407T
Ara−2 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 13,750 114,113 R89H
Ara−2 mutLMMR *Bu çərçivədaxili reversiya 42.250 nəsildə düzəldilir 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara−3 mutSMMR 34,750 2,753,768 Q606*
Ara−3 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 48,250 2,989,624 Δ1 bp
Ara−4 mutLMMR 7,250 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara+3 mutSMMR 2,750 2,752,473 +G
Ara+6 mutSMMR 1,250 2,752,473 +G
Ara+6 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 4,250,341 I821M
Ara+6 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 114,034 (C)6→5
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 31,750 2,988,917 Y82D
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 49,750 2,989,297 C208W

Mətndə təsvir olunan ehtimal olunan hipermutator və antimutator allelləri

Əhali. Gen . DNT təmir yolu. Görünüş vaxtı (nəsillər) . Vəzifə (bp) . Mutasiya.
Ara−1 uvrCOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 1,972,086 Q183P
Ara−1 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 114,034 (C)6→7
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 28,750 2,988,792 L40W
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 32,250 2,989,164 L164*
Ara−2 mutLMMR 2,250 4,375,786 (TGGCGC)3→4
Ara−2 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 12,250 4,251,585 A407T
Ara−2 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 13,750 114,113 R89H
Ara−2 mutLMMR *Bu çərçivədaxili reversiya 42.250 nəsildə düzəldilir 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara−3 mutSMMR 34,750 2,753,768 Q606*
Ara−3 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 48,250 2,989,624 Δ1 bp
Ara−4 mutLMMR 7,250 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara+3 mutSMMR 2,750 2,752,473 +G
Ara+6 mutSMMR 1,250 2,752,473 +G
Ara+6 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 4,250,341 I821M
Ara+6 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 114,034 (C)6→5
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 31,750 2,988,917 Y82D
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 49,750 2,989,297 C208W
Əhali. Gen . DNT təmir yolu. Görünüş vaxtı (nəsillər) . Vəzifə (bp) . Mutasiya.
Ara−1 uvrCOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 1,972,086 Q183P
Ara−1 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 26,250 114,034 (C)6→7
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 28,750 2,988,792 L40W
Ara−1 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 32,250 2,989,164 L164*
Ara−2 mutLMMR 2,250 4,375,786 (TGGCGC)3→4
Ara−2 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 12,250 4,251,585 A407T
Ara−2 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 13,750 114,113 R89H
Ara−2 mutLMMR *Bu çərçivədaxili reversiya 42.250 nəsildə düzəldilir 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara−3 mutSMMR 34,750 2,753,768 Q606*
Ara−3 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 48,250 2,989,624 Δ1 bp
Ara−4 mutLMMR 7,250 4,375,781 (TGGCGC)3→2
Ara+3 mutSMMR 2,750 2,752,473 +G
Ara+6 mutSMMR 1,250 2,752,473 +G
Ara+6 uvrAOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 4,250,341 I821M
Ara+6 mutTOksidləşdirici zərərin bərpası 4,750 114,034 (C)6→5
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 31,750 2,988,917 Y82D
Ara+6 mutYOksidləşdirici zərərin bərpası 49,750 2,989,297 C208W

Ara−2-də hipermutator dinamikası xüsusilə diqqəti çəkir. Antimutator alleli nəhayət düzəldir və həm nöqtəni, həm də indel hipermutator fenotipini əcdad və ya yaxın əcdad səviyyələrinə qaytarır (şək. 1A və B). Hipermutator fenotipi a (TGGCGC) faza dəyişməsi ilə əlaqədardır.3 təkrarlayın mutL (cədvəl 1). Üçlü vəziyyətə çevrilmələr hipermutator fenotipini tərsinə çevirir. Ara−2-də yeni nöqtə və indel mutasiyalarının sayı (əlavə əncirlər. S1 və S2, Əlavə material onlayn) bunun allel tezliyi dinamikası ilə dəyişir. mutL təkrarlayın (şək. 4). Böyük aseksual populyasiyalarda fiksasiyalar adətən geri dönməz olsa da, faza dəyişkənliyi istisnadır: polimerazlar tez-tez təkrarlanan ardıcıllıqla sürüşür və bu təkrarların nisbətən yüksək sürətlə genişlənməsinə və ya daralmasına səbəb olur (Moxon et al. 2006).

Hipermutator LTEE populyasiyalarında MMR allelləri. Bu vizuallaşdırma Good et al-ın kompüter kodundan istifadə edir. (2017). Ulduzlar mutasiyaların zaman seriyasında görünməsinin etibarlı şəkildə təxmin edildiyi vaxtı (və allel tezliyini) göstərir. Hipermutator populyasiyalarında müşahidə edilən bütün mutasiyalar üçün allel tezlik traektoriyaları boz rəngdə göstərilmişdir. MMR genlərindəki de novo mutasiyaların (sinonim mutasiyalar istisna olmaqla) allel tezlik trayektoriyaları (əlavə fayl 1, Əlavə material onlayn) hər bir populyasiyada rənglənir və etiketlənir.

Hipermutator LTEE populyasiyalarında MMR allelləri. Bu vizuallaşdırma Good et al-ın kompüter kodundan istifadə edir. (2017). Ulduzlar mutasiyaların zaman seriyasında görünməsinin etibarlı şəkildə təxmin edildiyi vaxtı (və allel tezliyini) göstərir. Hipermutator populyasiyalarında müşahidə edilən bütün mutasiyalar üçün allel tezlik traektoriyaları boz rəngdə göstərilmişdir. MMR genlərindəki de novo mutasiyaların (sinonim mutasiyalar istisna olmaqla) allel tezlik trayektoriyaları (əlavə fayl 1, Əlavə material onlayn) hər bir populyasiyada rənglənir və etiketlənir.

İlk baxışdan, Şəkil 1B Ara+6-nın indel hipermutator fenotipini geri qaytaran bir mutasiya təyin etdiyini göstərir. Bununla belə, Ara+6-da indel mutasiya dərəcəsinin və allel tezliyi dinamikasının yaxından tədqiqi aşkar edir ki, super-hipermutator təbəqəsi ilk 1000 nəsil ərzində inkişaf edib (əlavə şəkil S2, Əlavə material onlayn). Super-hipermutator təbəqəsi üçün əlavə dəlil, indel hipermutator fenotipinin təkamülü ilə paralel olan A:T→G:C və G:C→A:T hipermutator fenotipinin təkamülü və məhv olmasından gəlir (şək. 2). Bu super-hipermutator təbəqəsi MMR geninin çərçivə dəyişikliyi allelini daşıyır mutS (cədvəl 1 və şək. 4), nukleotidlərin eksizyonunu bərpa edən genlərin marker allelləri ilə fərqlənir. uvrAuvrB (şək. 3) və 20.000 nəsil nəsli kəsilənə qədər aşağı tezlikdə davam edir (şək. 3 və 4, əlavə şək. S2, Əlavə material online). Ara+6-da əksəriyyət klad bir mutasiya inkişaf etdirdi mutT 4,750 nəsildə (cədvəl 1 və şək. 3) indel hipermutator fenotipinə səbəb olmadan nöqtə mutasiyası hipermutator fenotipinə səbəb olur. Kladların müxtəlif hipermutator fenotipləri ilə birgə mövcudluğu və super-hipermutator sinfinin sonda məhv olması, Ara+6-dan indel hipermutator fenotipinin itirilməsini ən əsaslı şəkildə izah edir.

Şəkil 1C zamanla müşahidə edilən struktur mutasiyaların sayını göstərir. Bu məlumat dəsti üçün orijinal hesabatda təsvir edildiyi kimi ( Good et al. 2017), struktur mutasiyalar (yaxud struktur variantları, sv) istinad genomunda iki fərqli yer arasındakı birləşmələrlə müəyyən edilir. Bu struktur mutasiyaların böyük əksəriyyəti insertion sequence (IS) transpozisiyalarından qaynaqlanır. Kanonik qeyri-mutator populyasiyalardan üçü (Ara−5, Ara−6 və Ara+1) IS hipermutator fenotipini göstərir. Ara+1-də IS hipermutator fenotipi daha əvvəl bildirilmişdi (Papadopoulos et al. 1999 Tenaillon et al. 2016). Bunun əksinə olaraq, kanonik hipermutator populyasiyalarından yalnız biri, Ara−3, IS hipermutator fenotipini göstərir. Ara−3-də müşahidə edilən struktur mutasiyaların sürəti üç fərqli yamac göstərir. Ara−3 LTEE-də çox erkən bir IS hipermutator fenotipini inkişaf etdirdi. Təxminən 30.000 nəsildə IS dərəcəsi ya genetik təkamül, ya da o dövrdə inkişaf edən sitrat metabolik innovasiyanın yaratdığı stress nəticəsində intensivləşir (Blount et al. 2012, 2020). Nəhayət, IS dərəcəsi təxminən 45.000 nəsil azalır. 100-dən çox mutasiya, DNT təmir genlərindəki mutasiyalar da daxil olmaqla, Ara−3-də 45.000 nəsildə selektiv şəkildə fiksasiyaya gedir. recR, recE, liqA, uvrA, və ybaZ. Ara−3-də müşahidə edilən fərqli IS dərəcələri, qismən həmin populyasiyada dərin fərqli, rəqabət aparan nəsillər arasında klonal müdaxiləni əks etdirə bilər (Blount et al. 2012 Leon et al. 2018), xüsusən də bu nəsillərin fərqli IS transpozisiya dərəcələri varsa.

Zamanla hər bir hipermutator populyasiyasında nöqtə mutasiyalarının spektrini də araşdırdıq (şək. 2). Ara–1 və Ara+6 A:T→C:G transversiya mutasiyalarının yüksək tezliyini nümayiş etdirir, bu da qüsurlar üçün xarakterikdir. mutT (Tajiri et al. 1995 Fowler et al. 2003 Wielgoss et al. 2013). MMR-də qüsurları olan Ara–2, Ara–3, Ara–4 və Ara+3 (cədvəl 1 və şəkil 4) yüksək A:T→G:C və G:C→A tezliyini göstərir. :T mutasiyaları. Bu tapıntılar LTEE hipermutatorlarının genomik analizlərinə uyğundur (Couce et al. 2017). Bundan əlavə, Ara−1, Ara−3 və Ara+6, G:C→T:A transversiya mutasiyalarının tezliyində gec artımlar göstərir, bu da qüsurlar üçün xarakterikdir. mutY (Tajiri et al. 1995 Fowler et al. 2003 Wielgoss et al. 2013).

Müayinə zamanı mutT, üç hadisədən ikisinin olduğunu fərq etdik mutT LTEE-də yüksək tezlikdə meydana gələn allellər bir uvrA fonda (Ara−2 və Ara+6), üçüncü isə Ara−1-də an üzərində baş verir uvrC fon (şək. 3). The mutT Ara−2-dəki allel xarakteristikaya səbəb olmur mutT A:T→C:G hipermutator fenotipi Ara−1 və Ara+6-da aşkar edilmişdir (şək. 2), ona görə də onun assosiasiyası uvrA təsadüf ola bilər. Bununla belə, eyni uvrA ilə fiksasiyaya gedən əvəzləmə mutT Ara+6-da həmçinin REL10939 adlı Ara−1 populyasiyasından 40.000 nəsil təcriddə baş verir (Tenaillon et al. 2016), bu da onu göstərir ki, bu xüsusi uvrA allel bu kontekstlərdə faydalı ola bilər. Bundan əlavə, bu barədə məlumat verilib uvrA/mutTuvrB/mutT ikiqat nokautların mutasiya nisbəti əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır mutT nokautlar, hidrogen peroksidin iştirakı ilə (Hori et al. 2007). Bu müşahidələrə əsasən, biz fərz edirik ki, mutT LTEE-də fiksasiyaya uğurla gedən allellər təkamül yolu ilə inkişaf etmiş ola bilər uvrABC şiddətini azaldan genetik fon mutT hipermutator fenotipi.

LTEE-də Gen-Orientasiya Mutasiyasının Yanlışlığı İnkişaf edir

Bir neçə hesabat göstərir ki, mutasiya dərəcələri DNT replikasiya qabarcığının aparıcı və geridə qalan zəncirləri arasında fərqlənir (Lee et al. 2012 Paul et al. 2013). Potensial səbəblərə replikasiya mənşəyi ətrafında nukleotid tərkibində asimmetriya (GC əyri) ( Marín and Xia 2008), replikasiya mənşəyi ətrafında asimmetrik olan kontekstdən asılı mutasiya dərəcələri (Sung et al. 2015) və replikasiya arasında baş-başa toqquşmalar daxildir. və transkripsiya molekulyar maşın (Paul et al. 2013). Bu cür hesabatlar bizi LTEE metagenomikasının məlumatlarının gen-oriyentasiya mutasiya meyllərinin sübutunu göstərib-göstərmədiyini soruşmağa sövq etdi, belə ki, DNT sintezinin aparıcı və ya geridə qalan zolağına yönəlmiş (və ya əksinə) genlərin fərqli mutasiya nisbətləri var.

Bizim sıfır gözləntimiz ondan ibarətdir ki, sinonim mutasiyaların xromosomun hər bir zəncirində paylanması hər bir zəncirdə kodlaşdırma ardıcıllığının miqdarı ilə (yəni, genlərin sıxlığı onların uzunluğuna vurulan) ilə əlaqələndirilməlidir. Bundan əlavə, hər bir zəncirdə nukleotid əvəzetmələrinin spektri ata-baba LTEE klon REL606-da yerli G:C məzmununu əks etdirməlidir: məsələn, G:C→A:T əvəzetmələri G:C ilə zəngin bölgələrdə daha çox olmalıdır. Şəkil 5A bu sıfır gözləntisini göstərir. Həm kodlaşdırma ardıcıllığının miqdarı, həm də hər tel üçün G:C məzmunu REL606-nın təkrarlanma mənşəyi ilə bağlı asimmetrikdir. Replikasiya mənşəyində bir DNT zəncirinin aparıcıdan geriləməyə, tamamlayıcısı isə geriləmədən aparıcıya keçir. Bu keçid baş verir, çünki DNT replikasiyası iki yönlüdür, belə ki, iki replisom replikasiya mənşəyindən əks istiqamətdə hərəkət edir. Gen-oriyentasiyalı mutasiya meyli olmadıqda belə, Şəkil 5A replikasiya mənşəyi üzərində sinonim mutasiyaların paylanmasında bəzi asimmetriyanın gözlənildiyini göstərir.

LTEE-də gen oriyentasiyalı mutasiya meyli inkişaf edir. The x ox 46 bərabər ölçülü ~100 kb qutuya bölünmüş replikasiya mənşəyində mərkəzləşdirilmiş istinad genomudur. Hər bir etiketlənmiş alt fiqurda yuxarı və aşağı panellər xromosomun iki zəncirinin hər birində baş verən genləri 1 və −1 ixtiyari etiketləri ilə göstərir. (A) LTEE əcdad klonu REL606-nın xromosomunun iki zəncirindəki genlərin nukleotid tərkibi. (B) MMR çatışmazlığı olan LTEE populyasiyaları (sol panel) və MutT çatışmazlığı olan LTEE populyasiyaları (sağ panel) üzərində cəmlənmiş genlər daxilində mutasiyaların genomik paylanması.

LTEE-də gen oriyentasiyalı mutasiya meyli inkişaf edir. The x ox 46 bərabər ölçülü ~100 kb qutuya bölünmüş replikasiya mənşəyində mərkəzləşdirilmiş istinad genomudur. Hər bir etiketlənmiş alt fiqurda yuxarı və aşağı panellər xromosomun iki zəncirinin hər birində baş verən genləri 1 və −1 ixtiyari etiketləri ilə göstərir. (A) LTEE əcdad klonu REL606-nın xromosomunun iki zəncirindəki genlərin nukleotid tərkibi. (B) MMR çatışmazlığı olan LTEE populyasiyaları (sol panel) və MutT çatışmazlığı olan LTEE populyasiyaları (sağ panel) üzərində cəmlənmiş genlər daxilində mutasiyaların genomik paylanması.

Xromosomun hər bir zəncirində sinonim mutasiyaların müşahidə olunan paylanması Şəkil 5B-də göstərilmişdir. MMR- və MutT çatışmazlığı olan hipermutator populyasiyalarını ayrıca təhlil etdik. Hər iki halda müşahidə edilən mutasiyaların sayı mutasiyaların gözlənilən nisbəti ilə müşahidə edilən mutasiya nisbətinin müqayisəsinə əsaslanaraq replizomun hərəkətinə və ya ona qarşı yönəlmiş genlər arasında əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir. MMR çatışmazlığı olan hipermutator populyasiyaları gözlənildiyindən əhəmiyyətli dərəcədə daha çox gen oriyentasiyalı mutasiya meylini göstərir (iki quyruqlu binomial test: müşahidə edilən 2,066:2,664 mutasiya nisbəti ilə gözlənilən 1,730,238:2,066,587 nukleotid nisbəti). P = 0,0090), halbuki MutT çatışmazlığı olan hipermutator populyasiyaları gözləniləndən əhəmiyyətli dərəcədə daha az gen-oriyentasiya meylini göstərir (iki quyruqlu binomial test: müşahidə edilən 947:1,033 mutasiya nisbəti ilə 1,730,238:2,066,587 nukleotidlərin gözlənilən nisbəti. P = 0,0446). Qeyd edək ki, bu hesablamalar MMR- və MutT çatışmazlığı olan hipermutatorların xarakterik mutasiya spektrlərini nəzərə almır (şək. 5B). For example, the extreme rate of A:T→C:G mutations seen in MutT-deficient hypermutators ( Foster et al. 2015) should cause A:T rich genes to mutate faster than A:T poor genes.

The Genomic Distribution of Observed Mutations in Ara+3 Shows a Strong, Symmetric Wave Pattern over the Origin of Replication

Multiple studies ( Sharp et al. 1989 Lang and Murray 2011 Foster et al. 2013 Dillon et al. 2018 Niccum et al. 2019) have reported correlations between local mutation rates and distance from the origin of replication. One hypermutator LTEE population, called Ara+3, shows a symmetric wave pattern reflected over oriC ( fig. 6). Indeed, the genomic distribution of observed mutations in Ara+3 is significantly different from the genomic distribution of observed mutations summed over all hypermutator populations (two-sample Kolmogorov–Smirnov test: D = 0.0567, P < 10 −14 ). The wave in Ara+3 has a trough-to-peak ratio of ∼25:75 ( fig. 6). Excluding Ara+3, the genomic distribution of observed mutations summed over the remaining MMR-deficient LTEE populations shows a weak wave pattern, whereas the populations with defects in mutT shows no evidence of the wave pattern ( fig. 7). The genomic distribution of observed mutations in the MMR-deficient populations (excluding Ara+3) is significantly different from the genomic distribution of observed mutations in the MutT-deficient populations (two-sample Kolmogorov–Smirnov test: D = 0.040916, P < 10 −9 ).

One hypermutator LTEE population, Ara+3, shows a strong wave pattern of mutation rate variation centered on the replication origin. Each panel shows the genomic distribution of mutations observed in each hypermutator LTEE population in the metagenomics data. The x axis is the reference genome, centered on the replication origin, partitioned into 46 equally sized bins of ∼100 kb. Indels are in purple, missense mutations are in dark blue, noncoding mutations are blue green, nonsense mutations are sea green, sv are green, and synonymous mutations are yellow.

One hypermutator LTEE population, Ara+3, shows a strong wave pattern of mutation rate variation centered on the replication origin. Each panel shows the genomic distribution of mutations observed in each hypermutator LTEE population in the metagenomics data. The x axis is the reference genome, centered on the replication origin, partitioned into 46 equally sized bins of ∼100 kb. Indels are in purple, missense mutations are in dark blue, noncoding mutations are blue green, nonsense mutations are sea green, sv are green, and synonymous mutations are yellow.

MMR-deficient LTEE populations (excluding Ara+3) show a weak wave pattern, whereas MutT-deficient LTEE populations show no wave pattern. The left panel shows the genomic distribution of mutations observed in Ara−2, Ara−3, and Ara−4. The right panel shows the genomic distribution of mutations observed in Ara−1 and Ara+6. The x axis is the reference genome, centered on the replication origin, partitioned into 46 equally sized bins of ∼100 kb. Indels are in purple, missense mutations are in dark blue, noncoding mutations are blue green, nonsense mutations are sea green, sv are green, and synonymous mutations are yellow.

MMR-deficient LTEE populations (excluding Ara+3) show a weak wave pattern, whereas MutT-deficient LTEE populations show no wave pattern. The left panel shows the genomic distribution of mutations observed in Ara−2, Ara−3, and Ara−4. The right panel shows the genomic distribution of mutations observed in Ara−1 and Ara+6. The x axis is the reference genome, centered on the replication origin, partitioned into 46 equally sized bins of ∼100 kb. Indels are in purple, missense mutations are in dark blue, noncoding mutations are blue green, nonsense mutations are sea green, sv are green, and synonymous mutations are yellow.

Evidence for Epistasis and Historical Contingency in the Evolution of DNA Topology

Why does a strong wave pattern only appear in Ara+3? Others have hypothesized that local chromatin structure affects local mutation rates ( Foster et al. 2013 Niccum et al. 2019). Furthermore, DNA topology has evolved in parallel in the LTEE, and artificially increasing DNA supercoiling is beneficial under LTEE conditions ( Crozat et al. 2005, 2010). Therefore, we hypothesized that mutations in genes that affect DNA topology might affect the wave pattern. To test this hypothesis, we examined the timing and distribution of mutations in topA, fis, və dusB (yhdG). We focused on these genes for several reasons. First, these loci show strong parallel evolution in the LTEE ( Crozat et al. 2010). Second, introducing evolved alleles of topAfis into the ancestral genome are sufficient to confer a fitness benefit as well as additive changes to DNA topology ( Crozat et al. 2005). Finally, statistical analysis of the pattern of evolution for dusBfis in the LTEE led to the discovery that dusB regulates fis expression ( Crozat et al. 2005, 2010). We excluded synonymous mutations from this analysis. We counted both fixations and mutations destined for extinction, because many beneficial mutations go extinct in large asexual populations due to clonal interference ( Gerrish and Lenski 1998 Lang et al. 2013 Levy et al. 2015 Maddamsetti, Lenski, et al. 2015 Ba et al. 2019).

All LTEE populations evolved missense, indel, or structural mutations in topA, fis, və dusB within the first 10,000 generations, except two: Ara+2 and Ara+3 ( fig. 8). The timing and distribution of mutations in these genes across populations suggests epistasis and historical contingency ( Good et al. 2017). The early arrival times for mutations in these genes suggests that there is an early, limited window of opportunity for those mutations to go to fixation. Quantitative evidence comes from Ara+3, which has no missense, nonsense, indel, or structural mutations in topA, fis, və dusB whatsoever, despite its strong hypermutator phenotype. The probability of this event is P = (1−(t/g)) n , harada t is the effective mutational target size, g is the length of the chromosome (g = 4,629,812), and n is the number of observed missense, indel, and structural mutations in Ara+3 (n = 4,368). Given the wave pattern in Ara+3, the effective mutational target size of topA, fis, və dusB could be smaller than their combined physical target size (3,861 bp), say if they occurred in the trough of the wave. To take this into account, we partitioned the chromosome into bins, counted mutations per bin, and calculated the effective mutational target size by multiplying the physical target size (length) of topA, fis, və dusB by the number of mutations per base pair in their respective bins. These genes are significantly depleted of mutations in Ara+3, for bin sizes ranging from 100 kb to the entire chromosome (one-tailed randomization tests with 10,000 bootstraps: P < 0.05 in all cases).

The strong wave pattern in Ara+3 anticorrelates with mutations (excluding synonymous changes) in the DNA topology genes topA, fis, və dusB. This visualization uses computer code written by Good et al. (2017). The allele frequency trajectories for all observed mutations in the 12 LTEE populations are shown in gray. The allele frequency trajectories of de novo mutations in topA, fis, və dusB (excepting synonymous mutations) are colored and labeled in each population.

The strong wave pattern in Ara+3 anticorrelates with mutations (excluding synonymous changes) in the DNA topology genes topA, fis, və dusB. This visualization uses computer code written by Good et al. (2017). The allele frequency trajectories for all observed mutations in the 12 LTEE populations are shown in gray. The allele frequency trajectories of de novo mutations in topA, fis, və dusB (excepting synonymous mutations) are colored and labeled in each population.

The distribution of synonymous mutations in topA, fis, və dusB across the LTEE populations is interesting ( supplementary fig. S4 and Supplementary Material online). A single, synonymous A312A substitution in dusB went to fixation at ∼4,000 generations in Ara+3, simultaneously with alleles in the MMR genes mutSmutH that apparently caused the early hypermutator phenotype in this population. No other synonymous mutations in dusB are observed in Ara+3. Furthermore, there is evidence of parallel evolution at this particular position in dusB. The same synonymous mutation occurs in Ara+6, and another synonymous mutation, one base pair downstream in the next codon, is the only synonymous mutation in topA, fis, və ya dusB observed in Ara−2 ( supplementary fig. S4 , Supplementary Material online). This parallelism suggests that positive selection may be acting on these synonymous variants. Overall, it is striking how few synonymous mutations in topA, fis, və dusB occur in the hypermutator LTEE populations, which implies that synonymous variants in these genes may not be evolving neutrally. Indeed, STIMS ( Maddamsetti and Grant 2020) finds a significant signal of purifying selection on synonymous mutations in topA, fis, və dusB in Ara−1 and Ara−3 (one-tailed randomization test with 10,000 bootstraps: P < 0,0001).

We also examined the genes that encode the nucleoid-binding protein HU and the terminus-organizing protein MatP, as deletions of these loci were shown to affect the wave pattern ( Niccum et al. 2019). Notwithstanding the relevance of HU and MatP in Niccum et al. (2019), these genes show limited evidence of parallel evolution in the LTEE ( supplementary fig. S5 , Supplementary Material online).

Synonymous Nucleotide Diversity in Natural E. coli Populations Does Not Predict Mutation Rate Variation in the LTEE

Finally, we used the LTEE metagenomic data to revisit previous work, which found that the distribution of synonymous mutations in the LTEE does not reflect patterns of synonymous variation among natural E. coli isolates ( Maddamsetti et al. 2015). During our reanalysis, we found a potential coding error affecting the results of the Kolmogorov–Smirnov test reported in that paper. Therefore, we used Poisson regression to ask whether the estimates of synonymous nucleotide diversity θs published in Martincorena et al. (2012), when treated as gene-specific estimates of the point-mutation rate per base pair, predict the distribution of synonymous mutations observed in the LTEE. A null model in which mutations occur uniformly over the chromosome (Akaike’s Information Criterion, AIC = 8,529.6) fits the data far better than the θs model (AIC = 9,171.3). When we fit both models to Ara+3, we again find that the null model is better than the θs model at predicting the observed distribution of synonymous mutations (AIC = 2,168.2 for null model vs. AIC = 2,190.8 for θs modeli). This finding validates the conclusions reported in Maddamsetti et al. (2015), despite the potential problems in that analysis.


Faster rates of evolution are linked to tiny genomes

Inside every cell lies a genome -- a full set of DNA that contains the instructions for building an organism. Across the biological world, genomes show a staggering diversity in size. For example, the genome of the Japanese white flower, Paris yapon, is over 150 billion base pairs, meaning that almost 100 meters of DNA is squeezed into each cell. In comparison, single-celled prokaryotes, like bacteria, have tiny genomes, averaging less than 5 million base pairs. Some prokaryotes have even smaller genomes that are fewer than 500,000 base pairs. But scientists still don't fully understand the driving forces responsible for reducing the size of genomes.

Now, in an international collaboration, led by the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) and the University of Sydney, and including researchers from the University of the Ryukyus, the Tokyo Institute of Technology, and RIKEN, scientists have found a link between mutation rate -- how quickly the DNA sequence changes -- and genome size. Writing in Cari Biologiya, the researchers reported that prokaryotes with higher mutation rates lose genes at a faster pace, and therefore have smaller genomes.

"This was a really surprising result," said Professor Tom Bourguignon, co-first author of the study and head of the Evolutionary Genomics Unit at OIST. "Currently, the most accepted idea is that population size is the main factor that determines genome size in prokaryotes, particularly in endosymbionts, but our research challenges this view."

Endosymbionts are organisms that live inside the bodies or cells of other organisms, and typically have much smaller genomes than their free-living counterparts. The Evolutionary Genomics Unit researches an endosymbiont called Blattabacterium, a bacterial species that lives inside cockroaches and termites and provides their hosts with vital nitrogen-containing nutrients. But only a small number of these bacteria are passed on from a mother insect host to a daughter insect host, which keeps their effective population size very low.

"At small population sizes, natural selection is much less effective, and evolution is driven more strongly by chance," said Dr. Yukihiro Kinjo, co-first author and a postdoctoral scholar from the Evolutionary Genomics Unit. "Without enough selection pressure to maintain specific genes, mutations can arise that inactive and erode these genes, eventually leading to their total loss from the genome."

While population size as a driving force for genome reduction may be an attractive idea, many free-living prokaryotes that live in larger populations have also evolved smaller genomes, suggesting that it's only part of the story. Additional explanations have also been proposed but, until now, the mutation rate -- or the speed at which evolution occurs -- has been overlooked.

In the study, the scientists collected genome data from a diverse range of prokaryotes, including strains from two endosymbiotic lineages and seven free-living lineages.

For each lineage, the team constructed an evolutionary tree that showed how the strains had diverged from each other. With the help of the OIST Biological Complexity Unit, led by Professor Simone Pigolotti, the scientists then created models that reconstructed how gene loss had occurred in each strain. They then estimated the mutation rate, population size and selection pressure for each strain and compared it to the amount of gene loss.

Surprisingly, the scientists did not find a clear link between estimated population size and rate of gene loss. Instead, they found a relationship between mutation rate and gene loss for seven out of the nine lineages studied, with higher mutation rates associated with faster rates of gene loss, resulting in smaller genomes.

"Although we haven't established a cause, there is a theoretical prediction that explains this observation if the rate of mutation outweighs a selection pressure to maintain a gene, the gene will be lost from the genome," said Dr. Kinjo.

The scientists also found clues as to how the gene loss occurred, as strains with smaller genomes had lost genes involved in repairing DNA.

"DNA repair genes fix damaged DNA, so when they are lost the mutation rate of a strain can quickly increase. Most mutations are harmful, so this can quickly inactivate other genes and drive their loss from the genome. If some of these inactivated genes are also involved in DNA repair, this can further accelerate mutation rate and gene loss," explained Professor Gaku Tokuda, from the University of the Ryukyus.

Although the answers to how gene loss occurs are becoming clearer, whether there are evolutionary reasons behind why prokaryotes increase their rate of mutation to shrink their genome, and if so, what these reasons are, remains an open question.

"Figuring out the evolutionary explanation for what we see is really complicated. It could be that an increased rate of mutation occurs to provide an adaptive advantage, such as the removal of unwanted or unnecessary genes. But we still can't rule out the possibility that the increased rate of mutation is non-adaptive and due to chance," said Dr. Kinjo.

Overall, their findings shed new light on the evolution of small genomes, prompting a re-think of the current dominant idea of genome reduction being driven by small population sizes.

"Unlike with population size, our results suggest that mutation rate could drive genome reduction in both free-living and endosymbiotic prokaryotes. This could be the first step in comprehensively understanding what drives changes in genome size across all prokaryotes," said Prof. Bourguignon.


Təhlil

Answer the following questions on a separate page, title this page "Evolution Simulation" and make sure your name is on it.

1. Describe how the simulation models natural selection (and evolution), include a definition of both of these terms.

2. Explain HOW the mutation rate affects the evolution of your populations, use the prediction statements above to help you make a concise statement about the efffect of mutation rate on evolution.

izah edin WHY the mutation rate affects the evolution of your populations.

3. Explain HOW altering the selection rate affects the evolution of your populations, use the prediction statement again.


izah edin WHY altering the selection rate affects the evolution of your populations and include a definition of what selection strength is for your population.

/>Bu iş Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Beynəlxalq Lisenziyası əsasında lisenziyalaşdırılıb.

HS- LS4-2 Təkamül prosesinin ilk növbədə dörd amildən qaynaqlandığına dair sübuta əsaslanan izahat yaradın: (1) növün sayında artım potensialı, (2) mutasiya nəticəsində növdə fərdlərin irsi genetik variasiyası. və cinsi çoxalma, (3) məhdud resurslar üçün rəqabət və (4) ətraf mühitdə daha yaxşı yaşamaq və çoxalmaq qabiliyyətinə malik olan orqanizmlərin çoxalması

Credits: Special thanks to Leif Saul, author of Biology in Motion and the creator of the Evolution Lab.


Populyasiya Genetikası

12.3.2.2 Mutation

When mutations occur in the germ cells, they may be passed on to the next generation. The change in the DNA may be a single nucleotide substitution or it may involve many nucleotides, such as in the case of an insertion or deletion. Many hemoglobinopathies are due to point mutations that cause the replacement of an amino acid (missense) and consequently an abnormal protein product. The most common mutation causing Tay–Sachs disease is a 4-base-pair (bp) insertion (frameshift), while the F508del mutation in the cystic fibrosis gene is a 3-bp deletion.

The source of genetic variation in a population is mutation. Mutation rates in humans have been estimated to be on the order of 10− 4 to 10− 6 per gene per generation. The rate of nucleotide substitutions is estimated to be 1 in 10 8 per generation, implying that 30 nucleotide mutations would be expected in each human gamete.

Most new mutations are lost due to chance. However, new mutations arise in each generation, and some become established in the population. Güman μ is the mutation rate from A1 üçün A2 nəsil başına. If the frequencies of A1A2 var səhtqt, respectively, in generation t, then in the (t + 1)th generation the frequency of A2 edir

assuming no back mutation.

Because μ is very small, (1 − μ) t təxminən bərabərdir et μ. Thus, the number of generations required to change the frequency of A2 -dan q0 üçün qt is inversely proportional to the mutation rate. Also note that as t gets larger and larger, qt gets closer and closer to 1. In other words, if mutation from A1 üçün A2 is the only force acting to change the allele frequencies, then A2 will eventually become fixed in the population. The change in allele frequency from one generation to the next is qt+1qt = μ(1 − qt), meaning that the change in allele frequency is greater for smaller frequencies of A2.

So far we have considered mutation in only one direction. Now suppose the mutation rate from A1 üçün A2 edir μ and the reverse rate from A2 üçün A1 edir ν. Then the change in the frequency of A2 per generation is μpνq, and equilibrium is reached when this change is equal to zero. Thus, the equilibrium frequencies are səh = ν/(μ + ν) və q = μ/(μ + ν). This equilibrium is stable, meaning that if the frequencies are disturbed, they will eventually return to their equilibrium values as long as no other forces are affecting them.

Mutation rates have been estimated for a number of autosomal dominant disorders, such as neurofibromatosis type I, which has the high rate of 10 −4 , and tuberous sclerosis, with a rate of about 10 −5 . Some of these disorders (e.g., achondroplasia, for which the mutation rate is estimated to be 10 −5 ) have reduced fitness, which is discussed in the next section.

Nümunələr

How many generations will be required to change the frequency of A2 (1) from 0.1 to 0.2, (2) from 0.8 to 0.9, if the mutation rate from A1 üçün A2 is 10 −4 ?

The number of generations is

Therefore, for a mutation rate of 10 −4 , 1178 generations are required, whereas for a mutation rate of 10 −5 , 11,780 generations are required to change the frequency of A2 from 0.1 to 0.2. On the other hand, to change the frequency from 0.8 to 0.9 requires 6932 generations if the mutation rate is 10 −4 and 69,315 generations if the mutation rate is 10 −5 .

Suppose the mutation rate from A1 A2 is 10 −4 and the reverse rate is 10 −5 . What is the equilibrium frequency of A1?

The equilibrium frequency of A1 is 10 −5 /(10 −4 + 10 −5 ) = 0.091. However, to reach this equilibrium frequency may take tens of thousands of generations, depending on the initial allele frequencies.


Videoya baxın: DOMINGO 07112021 - Tema: Uma Reacção a uma acção #RÚbrica: Os Princípios Rev. Fernando Kamalandua (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Danh

    Bu olduqca dəyərli mesajdır

  2. Agrican

    Absurd vəziyyəti nəticələndi

  3. Gustav

    Təəssüf ki, müdaxilə edirəm, amma bir az daha çox məlumat verə bilmədiniz.

  4. Gamble

    Bu doğrudur! I think this is a good idea.



Mesaj yazmaq