Естественият отбор на молекулярно равнище Understand article

Превод от Райчо Димков. Знаем, че определени генетични последователности могат да ни помогнат да преживеем в околната  среда – това е основата на…

Когато хората първо напуснали Африка преди около 150 000 години, заселвайки се в долините на Тигър и Ефрат, плавайки между островите на Индонезия и прекосявайки Беринговия проток към Америка, те са срещнали много предизвикателства. Идвайки от горещите сухи савани на Африка, населението е трябвало да се приспособи към местните условия и от поколение на поколение физиологията и външният вид на хората съответно са се променяли (Harris & Meyer, 2008). Кожата им станала по-бледа, след като те заживяли в райони с по-малко слънце (Lamason et al., 2005). Популациите, чиито представители пиели мляко от опитомени животни запазили способността си да усвояват лактозата и като възрастни, докато сред не пиещите мляко групи тази черта бързо се загубила (Tishkoff et al., 2007). Хората, които се хранели с богати на скорбяла храни, произвеждали повече слюнчена амилаза, ензимът, подпомагащ разграждането на скорбялата (Perry et al., 2007).

Поне за някои от тези промени е допустимо да се мисли, че те са били последица от положителна селекция (вж речника за всички термини, дадени в курсив). Това значи, че в дадена околна среда (при селективна преса) в миналото, индивидите с по-благоприятна ДНК- последователност са преживявали по-успешно и са оставяли по-голямо поколение, отколкото индивидите с различна, по-малко благоприятна последователност.. Днес, използвайки геномните последователности на много видове, вкл. на човека и негови еволюционно  най-близки родственици, учените могат да сравняват белезите и ДНК-последователностите на популациии или видове с различен начин на живот, идващи от различна околна среда.Така може да се идентифицира кои последователности са играли роля при адаптацията. На свой ред това позволява на изследователите да проучат функцията на ДНК-последователността и нейната потенциална  адаптивна  стойност  за даден организъм.

Някои от гените, за които се знае, че въздействат върху цвета на кожата при хората, показват специфични географски пътища за вариация на последователностите; по-специално, сравненията на последователностите между европейските и африканските популации намеква, че вариацията в цвета на кожата се дължи на позитивна селекция.  По-светлата кожа е в положителна корелация с нарастването на географската ширина и няколко хипотези са предложени за обяснение на потенциалните благоприятстващи ефекти.Една от хипотезите, която твърди, че светлата кожа способства за продукцията на витамин D, се подкрепя от наблюденията, че тъмнокожите хора, живеещи при високи географски ширини, страдат от недостиг на витамин  D. Нещо повече, светлата кожа е по-чувствителна спрямо вредните ефекти на слънчевата светлина: по-продължителното излагане на слънце корелира с нарастващата поява на рак на кожата при белите. Следователно, светлата кожа в човешките популации, обитаващи по-големите географски ширини, може да е един еволюционен компромис между предпазването от канцерогенния ефект на слънчевата светлина и възможността за достатъчна продукция на съществен витамин.

Макар това да е солидна хипотеза, нейната очевидност е  косвена. Пряката демонстрация на адаптивната стойност на тази характеристика би изисквала измерване дали при по-високи географски ширини индивидите с по-светла кожа показват подобрена преживяемост и възпроизводство. Такива демонстрации с нашия вид обаче са трудни: експериментите за преживяемост (при които индивиди с различни белези са изложени при еднаква околна среда за да се види  кои ще преживеят) не могат да се осъществяват с хора, а и нашето дълго генерационно време затруднява изследването на различията в скоростта на репродукция. Обстоятелствата, при които е възможно да се наблюдава адаптивната стойност на някакъв белег при хората, са следователно много ограничени, но все пак те съществуват.

Един пример включва в себе си две заболявания: един вид анемия и малария. Генът, ангажиран в сърповидно-клетъчната анемия, има два варианта или алели: един „нормален” алел и един друг алел, обуславящ сърповидната анемия. Индивиди с два  алела от втория вариант страдат от сериозна сърповидна анемия, докато тези с един такъв алел и с един нормален не развиват подобни тежки симптоми. Данните за смъртността обаче говорят, че сърповидният алел може да е изгоден: в популации, изложени  на маларийния паразит, индивидите, носещи един сърповиден и един нормален алел имат по-голям шанс за преживяемост, отколкото хората с два нормални алела. Това е така защото паразитът (Plasmodium falciparum) изисква здрави кръвни клетки за да навлезе в тях и да се размножи. Следователно, честотата на алела, причиняващ сърповидна анемия, нараства в изложените на малария групи – алелът е адаптиран към такава околна среда.

Друг един пример, показващ адаптивната стойност на белег при човека, се отнася до фрагмент от хромозома 17, за който се знае, че е бил разместен в нашите предшественици преди повече от  три милиона години (Stefansson et al., 2005). Фактът, че този вариант се е разпространил сред европейските популации показва, че той е бил свързан с положителна селекция – осигурил е предимство за индивидите, които го носят. Чрез  генотипиране на почти 30 000 островитяни учените, изследващи хипотезата, можаха да определят, че през последните над 80 години индивидите с този вариант са имали средно с 3,2% повече потомци за поколение, отколкото индивидите с нормална последователност. Това е едно правдоподобно обяснение как този вариант е успял да се разпространи  толкова бързо.
Макар че двата примера ясно демонстрират съвременното схващане за позитивната селекция при човека, то молекулярните механизми за това как вариациите от последователности осигуряват предимство не са добре разбрани и трябва да бъдат изследвани случай по случай. За да  осветлят причинните взаимовръзки между възможно адаптивните ДНК-последователности и индивидуалната приспособеност, учените се обръщат към организми, с които е по-лесно да се експериментира, отколкото с човек.

Например, цветът на окосмяването при полската мишка, Peromyscus polionotus, наподобява почвата на хабитата, осигурявайки маскировка. Мишките, обитаващи светлите пясъци по плажовете на Флорида, са много по-светли, отколкото мишките от същия вид, живеещи във вътрешността. Адаптивната стойност на този признак бе демонстрирана експериментално преди повече от 30 години: мишките с козина, наподобяваща цвета на почвата,са изяждани от совите по-рядко, отколкото другите, по-малко маскирани мишки. Едва наскоро обаче учените идентифицираха генетичните локуси за този адаптивен белег (Hoekstra et al., 2006): вариациите в оцветяването на козината зависи силно от различните алели на гена McR1. Белтъкът, кодиран от този ген, действа като биохимичен ключ, направляващ синтезата или на еумеланин, тъмния пигмент на кожата, или на феомеланин – светлия пигмент. Различните алели наMcR1- гена активират в различна степен пигмент-синтезиращия път, облагоприятствайки продукцията на единия или на другия пигмент.

Един друг пример, илюстриращ причинно-следствените взаимовръзки, включва участието на Staphylococcus aureus, една бактерия, която може да причинява различни заболявания, вкл. пневмония или възпаление на сърдечната клапа. В един рядко срещан естествен експеримент пациент с повтарящи се инфекции от S.aureus бил лекуван три месеца с ванкомицин, един от малкото антибиотици, все още ефикасен срещу S.aureus. Преди и по време на лечението, на интервали, учените вземали проби (изолати) от патогена и секвенирали целия геном на първия и на последния изолати. Когато сравнили трите милиона чифта бази („буквите” на генетичния код), които изграждат бактериалната ДНК, те открили само 35 различия между първия и последния изолат.

Чрез частично секвениране на междинните изолати учените изчислили порядъка, по който трябва да са ставали тези промени в секвенциите. Чрез тестване ин витро на бактериалната устойчивост на различните изолати спрямо ванкомицин, те успели да корелират отделните генетични промени с ефекта върху бактериалния растеж и с отговора към лекарството. Например, първият и вторият бактериални изолати се различавали помежду си по шест нуклеотидни замествания (промени в „буквите”) в два от гените. Дори само тези шест мутации осигурявали ясно предимство: те повишавали бактериалната устойчивост спрямо ванкомицин четирикратно. Те позволяват на носещите ги бактерии да преживяват и да се размножават по-добре, ставайки повече в тялото на пациента. Двадесет и шестте последващи мутации през идните седмици на лечението удвоявали устойчивостта, формирайки ефективно щам от S.aureus, който е резистентен спрямо ванкомицина (Mwangi et al., 2007).

Накратко казано, изследването на молекулярните основи на адаптивната еволюция в  диви популации не е лесно. Предизвикателствата включват дефиниране на селективните преси, идентифициране на ДНК-последователностите за свързани белези, измерване на индивидуалната приспособеност, намиране на физическо обяснение за това как промените в последователността повлияват адаптивните белези. С използването на моделни организми и на последните технологични постижения обаче става осъществимо  по-доброто ни  разбиране как специфичните промени на генетично равнище позволяват на организмите да се адаптират към околната си среда.

С благодарност на

Авторът е признателен на David Hughes, Mehmet Somel и Ania Lorenc за полезните коментари на статията.

Download

Download this article as a PDF