Mullers spärrhake

Illustration av kromosomkorsning under genetisk rekombination

Inom evolutionär genetik är Mullers spärrhake (uppkallad efter Hermann Joseph Muller , analogt med en spärreffekt ) en process genom vilken , i frånvaro av rekombination (särskilt i en asexuell population ), en ansamling av irreversibla skadliga mutationer resulterar. Detta händer på grund av det faktum att i frånvaro av rekombination, och förutsatt att omvända mutationer är sällsynta, bär avkomman minst lika mycket mutationsbelastning som sina föräldrar. Muller föreslog denna mekanism som en anledning till varför sexuell reproduktion kan gynnas framför asexuell reproduktion , eftersom sexuella organismer drar nytta av rekombination och därav följande eliminering av skadliga mutationer. Den negativa effekten av att ackumulera irreversibla skadliga mutationer kanske inte är utbredd i organismer som, medan de förökar sig asexuellt, även genomgår andra former av rekombination. Denna effekt har också observerats i de områden av genomen av sexuella organismer som inte genomgår rekombination.

Etymologi

Även om Muller diskuterade fördelarna med sexuell reproduktion i sitt föredrag från 1932, innehåller det inte ordet "spärr". Muller introducerade först termen "spärr" i sin tidning från 1964, och frasen "Mullers spärr" myntades av Joe Felsenstein i hans papper från 1974, "The Evolutionary Advantage of Recombination".

Förklaring

Asexuell reproduktion tvingar genom att ärvas som odelbara block så att när de minst muterade genomen i en asexuell population börjar bära på minst en skadlig mutation, kan inga genom med färre sådana mutationer förväntas hittas i framtida generationer (förutom som ett resultat av detta). av ryggmutation ). Detta resulterar i en eventuell ansamling av mutationer som kallas genetisk belastning . I teorin blir den genetiska belastningen som bärs av asexuella populationer så småningom så stor att populationen dör ut. Laboratorieexperiment har också bekräftat existensen av spärrhaken och den därav följande utrotningen av populationer i många organismer (under intensiv drift och när rekombinationer inte är tillåtna) inklusive RNA-virus, bakterier och eukaryoter. I sexuella populationer tillåter processen med genetisk rekombination att avkommans genom att skilja sig från föräldrarnas genom. I synnerhet kan avkomma (avkomma) genom med färre mutationer genereras från mer mycket muterade föräldragenom genom att sätta ihop mutationsfria delar av föräldrarnas kromosomer. Dessutom renande selektion i viss utsträckning en laddad population när rekombination resulterar i olika kombinationer av mutationer.

Bland protister och prokaryoter finns en uppsjö av förment asexuella organismer. Fler och fler har visat sig utbyta genetisk information genom en mängd olika mekanismer. Däremot rekombinerar inte genomen av mitokondrier och kloroplaster och skulle genomgå Mullers spärr om de inte är så små som de är (se Birdsell och Wills [s. 93–95]). Sannolikheten att de minst muterade genomen i en asexuell population slutar bära på minst en (ytterligare) mutation beror mycket på den genomiska mutationshastigheten och denna ökar mer eller mindre linjärt med storleken på genomet (mer exakt, med antalet av baspar som finns i aktiva gener). Minskning av genomstorlek, särskilt hos parasiter och symbionter, kan dock också orsakas av direkt selektion för att bli av med gener som blivit onödiga. Därför är ett mindre genom inte en säker indikation på verkan av Mullers spärrhake.

I sexuellt reproducerande organismer bör icke-rekombinerande kromosomer eller kromosomala regioner såsom däggdjurs Y-kromosomen (med undantag av multikopiasekvenser som gör intrakromosomal rekombination och genomvandling) också utsatta för effekterna av Mullers spärrhake. Sådana icke-rekombinerande sekvenser tenderar att krympa och utvecklas snabbt. Men denna snabba utveckling kan också bero på dessa sekvensers oförmåga att reparera DNA-skador via mallassisterad reparation, vilket motsvarar en ökning av mutationshastigheten för dessa sekvenser. Att tillskriva fall av genomkrympning eller snabb utveckling till Mullers spärr är inte lätt.

Mullers ratchet förlitar sig på genetisk drift och vänder sig snabbare i mindre populationer eftersom skadliga mutationer i sådana populationer har en bättre chans att fixeras. Därför sätter den gränserna för den maximala storleken på asexuella genom och för den långsiktiga evolutionära kontinuiteten hos asexuella linjer. Vissa asexuella härstamningar anses dock vara ganska gamla; Bdelloida hjuldjur, till exempel, verkar ha varit asexuella i nästan 40 miljoner år. Emellertid befanns hjuldjur ha ett betydande antal främmande gener från möjliga horisontella genöverföringshändelser . Dessutom verkar en ryggradsdjursfisk, Poecilia formosa , trotsa spärreffekten, efter att ha funnits i 500 000 generationer. Detta har förklarats av upprätthållande av genomisk mångfald genom föräldraintrogression och en hög nivå av heterozygositet till följd av hybridursprunget för denna art.

Beräkning av den starkaste klassen

1978 använde John Haigh en Wright-Fisher-modell för att analysera effekten av Mullers spärrhake i en asexuell population. Om spärrhaken fungerar är den starkaste klassen (minst belastade individer) liten och benägen att dö ut på grund av genetisk drift. I sin artikel härleder Haigh ekvationen som beräknar frekvensen av individer som bär $k$ -mutationer för populationen med stationär fördelning:

$n_{k}\ =\ {\frac {Ne^{-\theta }\theta ^{k}}{k!}}$

$\theta =\ {\frac {\lambda }{s}}$

där $n_{k}\$ är antalet individuella bärande $k$ -mutationer, $N$ är populationsstorleken, $\lambda$ är mutationshastigheten och $s$ är urvalskoefficienten.

är frekvensen för individerna i den starkaste klassen ( ${\displaystyle k=0}) :$

${n_{0}}\ =N\ \ e^{-\ \theta }$

I en asexuell population som lider av ratchet skulle frekvensen av de starkaste individerna vara liten och dö ut efter några generationer. Detta kallas ett klick på spärrhaken. Efter varje klick skulle ackumuleringen av skadliga mutationer öka och i slutändan leda till att befolkningen utrotas.

Rekombinationens antiken och Mullers spärrhake

Det har hävdats att rekombination var en evolutionär utveckling lika gammal som livet på jorden. Tidiga RNA-replikatorer med förmåga till rekombination kan ha varit den förfäders sexuella källan från vilken asexuella linjer periodvis kunde uppstå. Rekombination i de tidiga sexuella linjerna kan ha gett ett sätt att hantera genomskador. Mullers spärr under sådana uråldriga förhållanden skulle sannolikt ha hindrat den evolutionära uthålligheten hos de asexuella linjerna som inte kunde genomgå rekombination.

Mullers skräll och mutationshärdsmälta

Eftersom skadliga mutationer är skadliga per definition, skulle ackumulering av dem resultera i förlust av individer och en mindre populationsstorlek. Små populationer är mer mottagliga för spärreffekten och mer skadliga mutationer skulle fixas som ett resultat av genetisk drift. Detta skapar en positiv återkopplingsslinga som påskyndar utrotningen av små asexuella populationer. Detta fenomen har kallats mutationell härdsmälta .

Se även

externa länkar

xkcd webcomic som förklarar Mullers ratchet och rekombination genom utvecklingen av internetmemes