В течение нескольких лет биологи пытались предоставить доказательства того, что естественный отбор повлиял на эволюционируемость. Новая статья исследователей из Пенсильванского университета впервые предлагает четкое доказательство того, что ответ положительный.Старшим автором исследования, опубликованного в журнале PLOS Pathogens, является Дастин Бриссон, доцент кафедры биологии Школы искусств и наук.
Его соавторами являются Кристофер Дж. Грейвс из Пенна, Вера И. Д. Рос и Пол Д. Сниговски, а также Брайан Стивенсон из Университета Кентукки.«Нет сомнений в том, что популяции развиваются и что одни черты склонны к эволюции больше, чем другие», — сказал Бриссон. «Мы спрашивали, является ли способность организма развиваться чертой, которую может выбрать естественный отбор».
Чтобы виды вирусов, патогенных бактерий и паразитов выжили в течение длительного времени, они должны обладать способностью быстро адаптироваться и развиваться, позволяя им оставаться на шаг впереди иммунной системы своих хозяев. Но этим патогенам не нужно предвидеть, какие условия их ждут.
Они только должны превратиться в нечто такое, чего иммунная система никогда раньше не видела.«Патогены сталкиваются с очень сильным давлением отбора со стороны иммунной системы хозяина», — сказал Бриссон. «Если они не адаптируются, они умрут».Исследователи использовали этот факт для поиска доказательств того, что естественный отбор благоприятствовал повышенной эволюционируемости, сосредоточив внимание на бактерии болезни Лайма, Borrelia burgdorferi.
B. burgdorferi обладает одним белком, который необходим для установления долгосрочной инфекции млекопитающего-хозяина: VlsE.В геноме бактерий Лайма гену VlsE предшествуют «кассеты», которые обычно не экспрессируются или превращаются в отдельные белки, но могут рекомбинировать с VlsE для изменения экспрессируемого белка и, таким образом, представляют новую проблему для иммунной защиты хозяина.
Хотя более ранние исследования предполагали, что отбор может напрямую способствовать способности к развитию, они не могли окончательно исключить, что эволюционируемость возникла по другим причинам. В частности, в эмпирических исследованиях было трудно исключить возможность того, что эволюционируемость возникает и поддерживается как побочный продукт отбора по особенностям организма, более непосредственно связанным с приспособленностью.
В системе болезни Лайма исследователи обошли этот сбивающий с толку фактор, изучив разнообразие в невыраженных кассетах, которые не были бы объектом прямого отбора, поскольку сами по себе не имеют известной функции; они просто существуют как способ увеличения потенциального разнообразия белка VlsE. Таким образом, разнообразие кассет открыло бы окно в прошлый естественный отбор для более "эволюционирующей" VlsE.
«У организмов с большим разнообразием среди кассет будет избирательное преимущество, поскольку они будут более антигенно эволюционирующими или лучше способны многократно генерировать новые антигены и, таким образом, с большей вероятностью сохранятся в организме хозяина», — пишут исследователи.
Используя давно разработанные методы молекулярной эволюции, исследователи оценили 12 штаммов B. burgdorferi на предмет признаков того, что естественный отбор увеличил разнообразие кассет.«Доказательства были чрезвычайно убедительными в пользу эволюции для большего разнообразия среди кассет и, следовательно, большей эволюционируемости экспрессируемого белка», — сказал Бриссон.Исследователи подтвердили, что чем более генетически разнообразны кассеты, тем более генетически разнообразен экспрессируемый белок VlsE.
Они также обнаружили, что мутации в кассетах, которые могут повлиять на часть VlsE, распознаваемую иммунной системой, встречаются в восемь раз чаще, чем можно было бы ожидать только случайно, и более распространены, чем мутации, которые влияют на другие части белка VlsE. . Кроме того, скорость мутации в невыраженных кассетах была выше, чем в других участках бактериального генома.Взятые вместе, результаты являются прямым доказательством того, что эволюционируемость была целью естественного отбора. Однако исследователи отмечают, что это не означает, что «естественный отбор для эволюционируемости» обязательно является общей чертой для всех живых существ.
«Было бы невероятно сложно продемонстрировать это для свободноживущих эукариотических организмов, таких как люди», — сказал Бриссон. «Но теперь мы можем сказать, что эволюционируемость может быть объектом отбора перед лицом давления окружающей среды».Исследование было поддержано Фондом Burroughs Wellcome и Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний.