Bakteriofager -spirende gjær og Behe’s renvasking

Ann Gauger; 26. nov. 2018
Oversatt herfra.
Foto: Spirende gjær, av Mogana Das Murtey og Patchamuthu Ramasamy [ CC BY-SA 3.0 ], via Wikimedia Commons.

Redaktørens notat : Darwin Devolves: Den nye vitenskapen om DNA som utfordrer evolusjonsteorien blir for tiden solgt ved forhåndsbestilling. Begrenset tilbudet inkluderer et nytt 41-delt online kurs med Michael Behe, et bonuskapittel og en eksklusiv, nasjonal konferansesamtale. Du kan og bør forhåndsbestille her pr. 28.11.2018.

Det har vært kjent en stund at bakterier unngår antibiotika ved å mutere målet for antibiotika, ofte med en pris for seg selv. Mutering av målet kan føre til tap eller reduksjon i en funksjon for bakterien, men fordi den kostnaden er mer enn kompensert av bakteriens overlevelse i ansiktet av antibiotika, er mutasjonen gunstig for bakterien. Således, selv om en mutasjon forårsaker tap av en funksjon, kan dette tapet også være gunstig , så lenge det fører til en større vekstrate eller mer reproduktiv suksess. Med hensyn til bakterien er mutasjonen bare gunstig så lenge antibiotika er rundt den.

Dette fenomenet er velkjent for genetikere. De anvender det i sikting og valg de bruker til å identifisere mutasjoner som påvirker noe trekk. Utfordre bakterier med en bakteriofag-infeksjon, for eksempel. (Jeg vil satse på at du ikke visste at bakterier har sine egne små virus, kalt bakteriofager, som gjør dem syke og dreper dem.) Alle medlemmer av bakteriepopulasjonen som har riktig inaktivert celleoverflateprotein, vil være immun mot fagen. Fagen kan ikke lenger binde seg til sitt målprotein. De overlevende mutantbakteriene har et mutasjonstap, ved at deres celleoverflateprotein er uføre, men det kan også beskrives som en gunstig mutasjon, som det også er i sammenheng med en faginfeksjon.

Ikke tapt på Behe
Denne observasjonen og mønsteret gikk ikke tapt for Michael Behe, professor i biokjemi ved Lehigh University og forfatter av Darwins Black Box, Edge of Evolution og den kommende Darwin Devolves. I 2010 publiserte han en artikkel i Quarterly Review of Biology, ‘Experimental Evolution, Loss-of-Function Mutations, and the First Rule of Adaptive Evolution.’ I artikkelen oppsummerte han år med arbeid av genetikere på en rekke bakterier og virus, og la ut dette prinsippet.

Adaptiv Evolusjons første regel: Bryt eller sløv ethvert funksjonelt kodet element hvis tap vil gi en netto fitness-gevinst.

Han detaljerte studier etter studiet, analyserte mutasjonene som var fordelaktige og klassifiserte dem som funksjonsfeil, funksjonsbedring eller modifikasjon av funksjon. De fleste viste seg å være tap av funksjon. årsaken er enkel. Det er mye lettere å skade eller ødelegge en eksisterende funksjon enn å bygge en ny. I eksemplet ovenfor er celleoverflateproteinet en bro for bakteriefagen til å infisere bakterien. De tilgjengelige valgene er å deaktivere eller eliminere broen, for å endre den slik at den ikke lenger er en bro, eller å lage noe nytt som styrer fagen bort fra broen eller ødelegger fagen. Det å bygge noe, er veldig vanskelig, endog umulig i møte med en umiddelbar trussel. Endring er også vanskelig fordi det er begrensede måter å modifisere proteinet på, slik at fagen ikke binder, men proteinet blir bevart. Imidlertid er det mange måter å deaktivere eller eliminere celleoverflateproteinet.

Behe pekte på en ubeleilig sannhet. Mye av evolusjon skjer ved tap av funksjon – så lenge at å bryte eller knuse det kodede funksjonelle elementet (mister funksjonen), hjelper det faktisk til at organismen overlever eller reproduserer bedre. Men dette er en enveis-gate. Mange typer mutasjoner som sletting, innsetting og om-arrangeringer kan i det vesentlige være irreversible , med mindre det manglende kodede funksjonelle elementet kan gjenopprettes annensteds fra, av noe som ligner horisontal genoverføring.

Lang og Desai
I årene siden det ble utgitt, har mange tilfeller av fordelaktige mutasjonssvikt blitt oppdaget. Med akselerasjon av genom-sekvensering har flere og flere bevis blitt akkumulert. I 2014 kom en gjennomgangsartikkel fram i et spesielt volum av Genomics –her, viet til eksperimentell utvikling. Det skisserte hva som kunne læres av de mange genom studiene til dags dato. Gregory Lang og Michael Desai beskrev mange “adaptive mutasjoner”, som betyr mutasjoner som bidro til at organismen eller cellen vokser raskere eller reproduserer mer. Man kan også kalle disse mutasjonene fordelaktige, og de gjorde det. De bemerket dette:

–De fleste langsiktige utviklingseksperimenter hittil har blitt utført i bakterier eller haploide gjærpopulasjoner, der det i de fleste miljøer finnes det en rekke mutasjoner med tap-av-funksjon som gir en selektiv fordel. I lys av den store målgruppen for disse typer mutasjoner, dominerer tap-av-funksjon mutasjoner ofte spektrene til mutasjoner gjenvunnet fra langsiktige utviklingseksperimenter. Noen av disse tapshendelsene er nøytrale, som skyldes mutasjonsakkumulering i fravær av seleksjo for funksjon, slik som reduksjon av katabolsk bredde i E. coli. Imidlertid har mange mutasjoner med tap av funksjon blitt bekreftet å gi en selektiv fordel. For eksempel gir sterilitet i gjær en selektiv fordel ved å eliminere unødig genuttrykk. Tilgjengeligheten av fordelaktige mutasjoner med tap av funksjon og den store målstørrelsen for disse hendelsene sikrer at disse mutasjonene kommer til å dominere eksperimentell evolusjon over korte tidsskalaer. Over lange tidsskalaer eller i spesialiserte forhold kan mutasjonsspekteret skifte mot økning av funksjons-mutasjoner. I diploide populasjoner kan vi også se et skifte i mutasjonsspekteret vekk fra mutasjoner med tap av funksjon, mot dominerende eller over-dominante mutasjoner. Imidlertid er det for tiden bare begrensede data som beskriver mutasjonene som oppstår under eksperimentell evolusjon i diploider, slik at den eksakte naturen til dette skiftet er uklart . [Utheving lagt til.]

Lang og Desai erkjenner klart at tap-av-funksjon mutasjoner dominerer eksperimentell utvikling i bakterier. De holder fram håpet om at i diploide populasjoner, kan vinst-av-funksjon mutasjoner bli vanligere, noe som vil være nyttig for evolusjonære fremskritt. Men som de erkjenner, den eksakte naturen i skiftet, om det oppstår, er usikker.
Merk: Kreft er ikke en god modell til å stille dette spørsmålet i eukaryoter, fordi mutasjonsfunksjonene i kreft produserer ikke strukturer eller egenskaper som fører til noe som er gunstig for organismen.

Ikke bare bakterier
Faktisk har vi bevis for at det ikke bare er bakterier som kan dra nytte av reduksjon eller eliminering av et gen dersom det resulterende tap av funksjon øker fitness. Det kan til og med skje bare fordi et genprodukt ikke lenger er nødvendig. I de tilfellene som er nevnt nedenfor, reduserer eller eliminerer eukaryotiske organismer genuttrykk når de ikke behøves, eller når en adaptiv fordel vinnes:
1. Blinde huleboende dyr har mistet elementer som er nødvendige for øyeutvikling.
2. Gjær mister evnen til å reprodusere seksuelt når den vokser i mange generasjoner ved å bruke utelukkende aseksuell reproduksjon.
3. Maur-arter uten vinger har mistet dem gjennom gen-inaktivering.
4. Isbjørn er forskjellig fra brunbjørner på grunn av tap av funksjonstap-mutasjoner i flere nøkkel gener.
5. Cetacean (marine pattedyrs) evolusjon ser ut til å ha skjedd, i det minste delvis, ved et tap-av-funksjon-mutasjoner i nøkkelgener.

Merk at: Evolusjon ved funksjonstap betyr tap ved punktmutasjon, innsetting, sletting eller omlegging av DNA, og det kan være på en irreversibel måte. Det innebærer å ødelegge broer i stedet for å bygge dem, for å bruke Behe’s relevante metafor. Gjær kan ikke lenger reprodusere seksuelt. Hvaler går ikke tilbake på land. Isbjørner kan gjenopprette tapt funksjon ved å omgås brunbjørn, og hvis de er heldige. Kanskje gjær kunne gjenopprette den seksuelle reproduksjonen de mistet ved horisontal genoverføring. Kanskje. Det avhenger av organiseringen av disse genene.

Det bringer meg til en svært nylig studie publisert i Cell , “Tempo and Mode of Genome Evolution i Budding Yeast Subphylum.” Jeg vil sitere deres oppsummering i sin helhet.
–Spirende gjær (subphylum Saccharomycotina) finnes i hver biomasse og er så genetisk forskjellige som planter eller dyr. For å forstå spirende gjærs utvikling analyserte vi genomene til 332 gjærarter, inkludert 220 nylig sekvenserte, som representerer nesten en tredjedel av all kjent spirende-gjær diversitet. Her etablerer vi en robust genus-nivå fylogeni som består av 12 store grupper (klader), legger til grunn tidsskalaen for diversi-fisering fra Devonian-perioden til i dag, kvantifiserer horisontal genoverføring (HGO), og rekonstruerer utviklingen av 45 metabolske egenskaper og metabolsk verktøykasse for spirende gjærs felles stamfar. Vi konkluderer at denne var metabolsk kompleks og katalogiserer tempoet og modusen for genomisk og fenotypisk evolusjon for taksonomier under dette phylum, som er preget av svært lave HGO-nivåer og utbredt tap av egenskaper og gener som styrer dem. Mer generelt argumenterer våre resultater at reduktiv evolusjon er en hovedmodus for evolusjonær diversifisering.

På vanlig engelsk sekvenserte disse forfatterne genomene til 332 gjærarter, og etablerte et tre av tilhørighet basert på disse genomiske sekvensene. De sluttet deretter hvilke metabolske trekk som den metabolsk komplekse stamfaren til alle disse artene må ha hatt. De rapporterer, basert på deres fylogeni, at den påfølgende diversi-fisering av de forskjellige gjær-genera oppsto ved ‘utbredte tap’ av metabolske egenskaper og gener som koder for dem. Det var lite horisontal genoverføring. De sier at “reduktiv evolusjon er en hovedmodus for evolusjonær diversifisering.” Merk: spirende gjær er eukaryoter som reproduserer både seksuelt og aseksuelt. Så evolusjon ved funksjonsfeil er ikke bare en bakteriell eller virus ting.

To leksjoner
To ting står fram for meg. For det første var stamfaren kompleks, etterkommerne redusert. For det andre er tapet av genetisk informasjon, i det minste så langt som hver gjærsegment, angår, irreversibelt. Dette er ikke den vanlige evolusjonære historien.
Men kanskje det burde være. Her er et 2013-artikkel, i Bioessays , av Yuri Wolf og Eugene Koonin , kalt “Genom reduksjon som den dominerende utviklingsmåten.” De lister en rekke prokaryote og eukaryote grupper som deler disse funksjonene: En kompleks stamfar og evolusjon ved reduktiv evolusjon.

Behe er rettferdiggjort, men han står ikke stille. Han har fortsatt å jobbe med sine ideer: Evolusjonens grenser, og tap av funksjon som hovedmodus for evolusjon. Dette fører direkte til emnet for hans nye bok som skal utgis neste februar, som kalles, av alle ting, ‘Darwin Devolves’. Forestill deg det.

 

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund