Robusthet (evolution)

Inom evolutionär biologi är ett biologiskt systems robusthet (även kallat biologisk eller genetisk robusthet) uthålligheten av en viss egenskap eller egenskap i ett system under störningar eller osäkerhetsförhållanden. Robusthet i utvecklingen kallas kanalisering . Beroende på vilken typ av störning det handlar om kan robusthet klassificeras som mutationell , miljömässig , rekombinationell eller beteendemässig robusthet etc. Robusthet uppnås genom kombinationen av många genetiska och molekylära mekanismer och kan utvecklas genom antingen direkt eller indirekt selektion . Flera modellsystem har utvecklats för att experimentellt studera robusthet och dess evolutionära konsekvenser.

Ett nätverk av genotyper kopplade av mutationer. Varje genotyp består av 3 gener : a, b & c. Varje gen kan vara en av två alleler . Linjer länkar samman olika fenotyper genom mutation . Fenotypen indikeras med färg . Genotyperna abc, Abc, aBc och abC ligger på ett neutralt nätverk eftersom alla har samma mörka fenotyp. Genotyp abc är robust eftersom varje enskild mutation behåller samma fenotyp. Andra genotyper är mindre robusta eftersom mutationer ändrar fenotypen (t.ex. ABc).

Klassificering

Mutationell robusthet

Mutationell robusthet (även kallad mutationstolerans) beskriver i vilken utsträckning en organisms fenotyp förblir konstant trots mutation . Robustheten kan mätas empiriskt för flera genom och enskilda gener genom att inducera mutationer och mäta hur stor andel av mutanter som behåller samma fenotyp , funktion eller kondition . Mer generellt motsvarar robusthet det neutrala bandet i fördelningen av konditionseffekter av mutationer (dvs. frekvenserna av olika konditioner hos mutanter). Proteiner som hittills undersökts har visat en tolerans mot mutationer på ungefär 66 % (dvs två tredjedelar av mutationerna är neutrala).

Omvänt varierar uppmätta mutationella robustheter hos organismer kraftigt. Till exempel, >95% av punktmutationer i C. elegans har ingen detekterbar effekt och till och med 90% av enkel gen knockouts i E. coli är icke-dödliga. Virus tolererar dock bara 20-40% av mutationerna och är därför mycket känsligare för mutationer.

Robusthet mot stokasticitet

Biologiska processer på molekylär skala är i sig stokastiska. De uppstår från en kombination av stokastiska händelser som inträffar med tanke på molekylers fysikalisk-kemiska egenskaper. Till exempel är genuttryck i sig bullrigt. Detta betyder att två celler i exakt identiska regulatoriska tillstånd kommer att uppvisa olika mRNA- innehåll. Cellpopulationsnivåns log-normalfördelning av mRNA-innehåll följer direkt från tillämpningen av Central Limit Theorem till flerstegskaraktären av genuttrycksreglering .

Miljömässig robusthet

I varierande miljöer kan perfekt anpassning till ett tillstånd komma på bekostnad av anpassning till ett annat. Följaktligen är det totala urvalstrycket på en organism det genomsnittliga urvalet över alla miljöer viktat med den procentuella tiden som spenderas i den miljön. Variabel miljö kan därför välja för miljömässig robusthet där organismer kan fungera över ett brett spektrum av förhållanden med liten förändring i fenotyp eller kondition (biologi) . Vissa organismer visar anpassningar för att tolerera stora förändringar i temperatur, vattentillgång, salthalt eller mattillgång. Speciellt växter kan inte röra sig när miljön förändras och visar därför en rad mekanismer för att uppnå miljömässig robusthet. På liknande sätt kan detta ses i proteiner som tolerans mot ett brett spektrum av lösningsmedel , jonkoncentrationer eller temperaturer .

Genetiska, molekylära och cellulära orsaker

Kärn eukaryota metaboliska nätverk . Cirklar indikerar metaboliter och linjer indikerar omvandlingar av enzymer . Många metaboliter kan produceras via mer än en väg, därför är organismen robust mot förlusten av vissa metaboliska enzymer

Genom muterar genom miljöskador och ofullkomlig replikering, men de uppvisar anmärkningsvärd tolerans. Detta kommer från robusthet både på många olika nivåer.

Organism mutationell robusthet

Det finns många mekanismer som ger genomets robusthet. Till exempel genetisk redundans effekten av mutationer i en kopia av en gen med flera kopior. Dessutom flödet genom en metabolisk väg vanligtvis av endast ett fåtal av stegen, vilket innebär att förändringar i funktion hos många av enzymerna har liten effekt på konditionen. På liknande sätt metabola nätverk flera alternativa vägar för att producera många nyckelmetaboliter .

Protein mutation robusthet

Proteinmutationstolerans är produkten av två huvuddrag: strukturen hos den genetiska koden och proteinstrukturens robusthet. Proteiner är resistenta mot mutationer eftersom många sekvenser kan vikas till mycket liknande strukturella veck . Ett protein antar en begränsad ensemble av naturliga konformationer eftersom dessa konformer har lägre energi än ovikta och felveckade tillstånd (ΔΔG av vikning). Detta uppnås genom ett distribuerat, internt nätverk av kooperativa interaktioner ( hydrofob , polär och kovalent ). Proteinstrukturell robusthet är resultatet av att få enstaka mutationer är tillräckligt störande för att äventyra funktionen. Proteiner har också utvecklats för att undvika aggregering eftersom delvis veckade proteiner kan kombineras för att bilda stora, upprepande, olösliga proteinfibriller och massor. Det finns bevis för att proteiner visar negativa designegenskaper för att minska exponeringen av aggregationsbenägna beta-arkmotiv i deras strukturer. Dessutom finns det vissa bevis för att den genetiska koden i sig kan optimeras så att de flesta punktmutationer leder till liknande aminosyror ( konservativ ). Tillsammans skapar dessa faktorer en fördelning av fitnesseffekter av mutationer som innehåller en hög andel neutrala och nästan neutrala mutationer.

Genuttryck robusthet

Under embryonal utveckling måste genuttrycket kontrolleras noggrant i tid och rum för att ge upphov till fullt fungerande organ. Utvecklande organismer måste därför hantera de slumpmässiga störningar som härrör från stokasticitet i genuttryck. Hos bilaterianer kan robusthet av genuttryck uppnås via förstärkarredundans . Detta händer när uttrycket av en gen under kontroll av flera förstärkare som kodar för samma regulatoriska logik (dvs. visar bindningsställen för samma uppsättning transkriptionsfaktorer ). I Drosophila melanogaster kallas sådana redundanta förstärkare ofta skuggförstärkare.

Dessutom, i utvecklingssammanhang var tidpunkten för genuttryck viktig för det fenotypiska resultatet, olika mekanismer finns för att säkerställa korrekt genuttryck i tid. Poised promotorer är transkriptionellt inaktiva promotorer som visar RNA-polymeras II -bindning, redo för snabb induktion. Dessutom, eftersom inte alla transkriptionsfaktorer kan binda sitt målställe i komprimerat heterokromatin , krävs pionjärtranskriptionsfaktorer (såsom Zld eller FoxA ) för att öppna kromatin och möjliggöra bindning av andra transkriptionsfaktorer som snabbt kan inducera genuttryck. Öppna inaktiva förstärkare är call poised enhancers.

Cellkonkurrens är ett fenomen som först beskrevs i Drosophila där mosaic Minute mutantceller (som påverkar ribosomala proteiner ) i en vildtypsbakgrund skulle elimineras. Detta fenomen inträffar också i det tidiga musembryot där celler som uttrycker höga nivåer av Myc aktivt dödar sina grannar och visar låga nivåer av Myc -uttryck. Detta resulterar i homogent höga nivåer av Myc .

Utvecklingsmönstring robusthet

Mönstermekanismer som de som beskrivs av den franska flaggmodellen kan störas på många nivåer (produktion och stokasticitet för diffusionen av morfogen, produktion av receptorn, stokastisk av signalkaskaden, etc ). Mönster är därför i sig bullriga. Robusthet mot detta brus och genetiska störningar är därför nödvändigt för att säkerställa att cellerna mäter exakt positionsinformation. Studier av zebrafiskens neuralrör och antero-posteriora mönster har visat att brusig signalering leder till ofullständig celldifferentiering som senare korrigeras genom transdifferentiering, migration eller celldöd av de felplacerade cellerna.

Dessutom har strukturen (eller topologin) av signalvägar visat sig spela en viktig roll i robustheten mot genetiska störningar. Självförstärkt nedbrytning har länge varit ett exempel på robusthet inom systembiologi . På samma sätt framträder robustheten hos dorsoventral mönstring hos många arter från de balanserade skyttel-nedbrytningsmekanismerna som är involverade i BMP-signalering .

Evolutionära konsekvenser

Eftersom organismer ständigt utsätts för genetiska och icke-genetiska störningar, är robusthet viktig för att säkerställa stabiliteten hos fenotyper . Under mutations-selektionsbalans kan också mutationell robusthet tillåta kryptisk genetisk variation att ackumuleras i en population. Även om de är fenotypiskt neutrala i en stabil miljö, kan dessa genetiska skillnader avslöjas som egenskapsskillnader på ett miljöberoende sätt (se evolutionär kapacitans ), vilket möjliggör uttryck av ett större antal ärftliga fenotyper i populationer som exponeras för en variabel miljö.

Att vara robust kan till och med vara en favorit på bekostnad av total kondition som en evolutionärt stabil strategi (även kallad överlevnad av de plattaste). En hög men smal topp i ett fitnesslandskap ger hög kondition men låg robusthet eftersom de flesta mutationer leder till massiv konditionsförlust. Höga mutationsfrekvenser kan gynna populationer med lägre, men bredare konditionstoppar. Mer kritiska biologiska system kan också ha större urval för robusthet eftersom funktionsminskningar är mer skadliga för konditionen . Mutationell robusthet tros vara en drivkraft för teoretisk viral kvasiartsbildning .

Varje cirkel representerar en funktionell genvariant och linjer representerar punktmutationer mellan dem. Ljusa rutnätsregioner har låg kondition , mörka regioner har hög kondition. ( a ) Vita cirklar har få neutrala grannar, svarta cirklar har många. Lätta rutnätsregioner innehåller inga cirklar eftersom dessa sekvenser har låg kondition. ( b ) Inom ett neutralt nätverk förutspås befolkningen utvecklas mot centrum och bort från "fitness klippor" (mörka pilar).

Emergent mutationell robusthet

Naturligt urval kan välja direkt eller indirekt för robusthet. När mutationshastigheterna är höga och populationsstorlekarna är stora, förutspås populationer flytta till tätare anslutna regioner av neutralt nätverk eftersom mindre robusta varianter har färre överlevande mutantavkomlingar. De förhållanden under vilka selektion skulle kunna agera för att direkt öka mutationsrobustheten på detta sätt är restriktiva, och därför tros ett sådant urval vara begränsat till endast ett fåtal virus och mikrober med stora populationsstorlekar och höga mutationshastigheter. Sådan framväxande robusthet har observerats i experimentell utveckling av cytokrom P450s och B-laktamas . Omvänt kan mutationell robusthet utvecklas som en biprodukt av naturligt urval för robusthet mot miljöstörningar.

Robusthet och utvecklingsförmåga

Mutationell robusthet har ansetts ha en negativ inverkan på evolverbarheten eftersom den minskar mutationstillgängligheten för distinkta ärftliga fenotyper för en enda genotyp och minskar selektiva skillnader inom en genetiskt mångfaldig population. ^{[ Citat behövs ]} Kontraintuitivt har det dock antagits att fenotypisk robusthet mot mutationer faktiskt kan öka takten i ärftlig fenotypisk anpassning när den ses över längre tidsperioder.

En hypotes för hur robusthet främjar evolverbarhet i asexuella populationer är att sammankopplade nätverk av fitnessneutrala genotyper resulterar i mutationsrobusthet som samtidigt minskar tillgängligheten för nya ärftliga fenotyper över korta tidsskalor, över längre tidsperioder, neutral mutation och genetisk drift gör att befolkningen utspridda över ett större neutralt nätverk i genotyprymden. Denna genetiska mångfald ger populationen mutationstillgång till ett större antal distinkta ärftliga fenotyper som kan nås från olika punkter i det neutrala nätverket. Emellertid kan denna mekanism vara begränsad till fenotyper som är beroende av ett enda genetiskt lokus; för polygena egenskaper ökar inte genetisk mångfald i asexuella populationer evolverbarheten signifikant.

När det gäller proteiner främjar robusthet evolverbarhet i form av en överskottsenergi av veckning . Eftersom de flesta mutationer minskar stabiliteten tillåter ett överskott av vikningsfri energi tolerering av mutationer som är fördelaktiga för aktiviteten men som annars skulle destabilisera proteinet.

I sexuella populationer leder robusthet till ackumulering av kryptisk genetisk variation med hög evolutionär potential.

Utvecklingsförmågan kan vara hög när robustheten är reversibel, med evolutionär kapacitans som tillåter en växling mellan hög robusthet under de flesta omständigheter och låg robusthet vid stresstillfällen.

Metoder och modellsystem

Det finns många system som har använts för att studera robusthet. I silico har modeller använts för att modellera promotorer , RNA-sekundärstruktur , proteingittermodeller eller gennätverk . Experimentella system för individuella gener inkluderar enzymaktivitet av cytokrom P450 , B-laktamas , RNA-polymeras och Lacl har alla använts. Hela organismens robusthet har undersökts i RNA-virus fitness, bakteriell kemotaxi , Drosophila fitness, segmentpolaritetsnätverk, neurogent nätverk och benmorfogenetisk proteingradient , C. elegans fitness och vulvalutveckling och däggdjurs dygnsklocka .

Se även