Slábnoucí vliv prospěšných mutací

Shaun Doyle

Z creation.com/antagonistic-epistasis přeložil Pavel Kábrt – 07/2011. Translation granted by Creation.com – přeloženo s povolením od Creation.com.

Obrázek 1: Elektronový mikrograf o nízké teplotě klastru bakterie E. coli. Každá bakterie je protáhlého tvaru (Photo by Eric Erbe, wikipedia)

Prospěšné mutace se často chápou jako motor evoluce (Mutace: motor evoluce bude její konec!). Jenže mutace, samy o sobě, neřeší problém. (viz Hmyzí chudáčci). Mutace musejí být nejen prospěšné, ale také musejí přidat biologickou informaci, a to specifickou složitost. Jenže prakticky všechny prospěšné mutace, které byly pozorovány, představovaly ztráty specifické složitosti (Evoluční vlak jede, ale kam?), zatímco bylo nalezeno jen několik sporných příkladů mutací zvyšujících informaci (třeba bakterie trávící nylon, citrát nebo xylitol).

Epistáze: jak mutace reagují navzájem?

Zcela jistě musí být mutace víc než jen prospěšné a zvyšující informaci, aby jejich výsledkem byly struktury a systémy, které evoluce od mikrobu k člověku vyžaduje. Mutace nepůsobí osamoceně; mutační účinek na fenotyp organizmu závisí na dalších genech a mutacích v těchto genech v genomu. To se nazývá epistází; pro evoluci je tato úvaha důležitá, protože na tom, jak mutace vzájemně interagují, závisí rozhodnutí, jestli mají vůbec nějakou možnost budovat strukturu stupňovitým způsobem.

Aby došlo k evoluci od mikrobu k člověku, nestačí, aby mutace jen (specificky) zvyšovaly informaci a byly užitečné, ale musí také spolupracovat. I toto musí být hlavním trendem adaptivní evoluce, aby mohly mutace společně vyprodukovat nové biologické struktury a systémy. Tento jev se nazývá synergická epistáze (SE), kdy kombinovaný společný účinek mutací je větší než součet jejich jednotlivých účinků. Pochopitelně, že toto je dobré pro prospěšné mutace, ale je to špatná situace, když jde o mutace škodlivé. V případě škodlivých mutací může SE vyústit v syntetickou letalitu (1), kde kombinované účinky několika škodlivých mutací se smíchají vzájemnou přítomností a vyústí v tak negativní efekt, že to způsobí smrt organizmu. (2) Takže evoluce potřebuje, aby se SE vyskytovala běžně jen u prospěšných mutací; vyskytne-li se u škodlivých mutací, pracuje proti evoluci.

Antagonistická epistáze (AE) je opakem SE. Vyskytuje se tehdy, když mají mutace negativní vliv jedna na druhou, a tím jejich kombinovaný účinek je menší než součet jejich jednotlivých účinků. Je to dobrá věc v situaci, kdy mutace jsou škodlivé, protože to potlačí účinek jednotlivých mutací a zastaví vyústění chyb v katastrofu. (3) V dlouhodobém horizontu to však jasně evoluci nijak nepomáhá, protože pořád se jedná jen o škodlivé mutace. Jenže AE představuje problém pro evoluci, pokud se dostaví při užitečných mutacích. Užitek jednotlivých mutací je potlačen jinými užitečnými mutacemi; výsledkem je snížení míry vzrůstu zdatnosti při každé další prospěšné mutaci, která přijde.

Jak nespolupracovat

Dvě nedávné studie prověřovaly účinky užitečných mutací navzájem a dospěly k zásadně stejným výsledkům. Jedna studie se zaměřila na kombinovaný účinek již dřívějších užitečných mutací na zdatnost, mutací, které se vyskytly v „Dlouhodobém evolučním experimentu“ Richarda Lenskiho se 12ti populacemi Escherichia coli (4)

To je ten samý experiment, který vyprodukoval populaci E. coli se schopností využívat citrát v aerobních podmínkách, což předtím nebylo možné. Bylo to široce oslavováno jako důkaz ´evoluce´, ale přečtěte si naši reakci v článku Bakterie, která se ´v laboratoři vyvíjí´? Jiná studie, publikovaná ve stejném vydání Science, se zabývá účinkem vzájemně prospěšných mutací v umělém kmeni Methylobacterium extorquens. (5)

Obě studie zjistily, že prospěšné mutace navzájem interagovaly v souhrnném směru antagonistické epistáze. Khan se svým týmem srovnal jejich studii se studií Choua a jeho týmu a ukázal, že výsledky obou studií jsou naprosto identické:

„Lze si povšimnout, že podobné směry byly pozorovány Chouem a jeho týmem…Tato studie, stejně jako ta naše, zjistila, že čtyři mutace interagovaly tak, že zdatnost byla opakovaně snížena, zatímco jedna mutace měla opačný účinek.“ (6)

A tak kumulativní účinek „prospěšných“ mutací, probíhajících společně, byl nižší než uvažujeme-li je nezávisle – čili vykazují celkový trend antagonistické epistáze. Některé jednotlivé mutace vykazují synergickou epistázi, ale ty jsou jen menšinové a nemají sílu zvrátit celkový trend.

Khan se svým týmem to vysvětluje jako výsledek adaptace na prostředí:

„Toto zpomalení můžeme vysvětlit mechanizmem redukce počtu a rozsahu účinku užitečných mutací v důsledku toho, jak se populace lépe adaptuje na své prostředí…Jinými slovy, epistáze účinkuje jako brzda redukující příspěvek dalších prospěšných mutací.“

Je to ale takto? Bezpochyby jde o poctivé zhodnocení těchto výsledků a jejich nejzazších dopadů. Tyto experimenty byly prováděny v přísně řízených podmínkách prostředí a tím pádem oblast otázek, na které lze odpovědět, je omezená. Avšak tyto výsledky neberou v potaz flexibilitu a změny prostředí. Khan se svým týmem pozoroval příklady předešlých mutací, které zmařily adaptabilní schopnosti některých vzájemných linií v populaci. (7) Ale samozřejmá otázka je tato: jaký účinek bude mít antagonistická epistáze, bude-li se prostředí měnit? Jsou organizmy tak pevné vůči mutování a tak adaptabilní, jako jejich předchůdci? Dlouhodobé „pokusy“ člověka s umělou selekcí asi poskytnou tu nejjasnější odpověď, a tou je „ne“. Kupříkladu psi byli uměle selektováni po staletí, aby se dosáhlo všech možných znaků, a typickou zkušeností je, že čistokrevně křížení psi jsou oslabení, mají mnoho vrozených problémů a žijí kratší životy než psí „bastardi“ („Přehlídka mutantů“ – psi s rodokmenem a umělá selekce).

Co to je prospěšná mutace?

Obě tyto studie uváděly, že studovaly prospěšné mutace. Co ale myslí pojmem prospěšné? Jsou tyto mutace všeobecně (univerzálně) prospěšné, anebo jen v určitém prostředí? To se může jevit jako banální otázky, ale jejich nesmírná důležitost vyvstane, když uvážíme kontext těchto studií. Jak už jsem výše uvedl, toto jsou laboratorní studie prováděné za přísně kontrolovaných podmínek prostředí, což znamená, že pozorované mutace jsou rozpoznané jako ´užitečné´ ve striktně daném prostředí.

Navíc Chou se svým týmem prováděli experimenty na umělém bakteriálním kmenu, který i bez mutací roste třikrát pomaleji než divoká forma ve stejném prostředí. /8/

V tomto umělém kmeni Chou se svým týmem odstranili základní metabolickou dráhu a nahradili ji jinou z jiného druhu. Všechny ´prospěšné´mutace v umělém kmeni pak jenom kompenzovaly ztrátu původní, přirozené metabolické dráhy. Velmi pravděpodobně by ty samé mutace u divokého typu byly škodlivé.

Prospěšné je něco, co přivodí výhodu, ale ne nutně přidá informaci. Toto ukazuje něco důležitého: nejenže by mutace, mají-li podpořit evoluci, musely přidat informaci, ale musejí být také schopné selekce. Jelikož však mutace (kromě několika triviálních příkladů) představují univerzálně ztrátu specifické složitosti, a jelikož je přírodní výběr neuvěřitelně pomalý a slabý, prospěšné mutace jsou pro evoluci zcela k ničemu.

Genetická entropie a tajemství epistáze

Tato studie zobrazuje univerzálně shodný směr laboratorních experimentů u adaptací:

„To nejvíce shodné zjištění napříč studiemi laboratorně vyvíjených populací ukázalo prudké zpomalení rychlosti růstu zdatnosti.“

Dvě vědecké zprávy, které zde byly výše zmíněny, plně potvrzují tyto shodné výsledky, a pomáhají tedy dále potvrdit průlomovou knihu Dr. Johna Sanforda: Genetická entropie a tajemství genomu. (9) Dr. Sanford ukázal, že genom je ve stavu neúprosného rozkladu následkem mutací. Pokud se prospěšné mutace běžně postaví jedna proti druhé, kombinace jejich účinků nemůže zastavit tento proces rozkladu genomu. A tak má evoluce proti sobě tři pohromy: většina mutací není prospěšných, prakticky všechny mutace ničí specifickou složitost a teď ještě přichází třetí pohroma – dokonce i ´prospěšné´mutace pracují jedna proti druhé. Zatímco na jedné straně mohou být mutace v omezené míře prospěšné nějakému jednotlivému organizmu za velmi limitních souvislostí (např. srpková anemie může ochránit před malárií i přesto, že srpkovitý tvar /krvinky/ je škodlivý), na druhé straně se ukazuje, že mutace nepředstavují naprosto žádný užitek pro evoluci od mikroba k člověku, ať už jednotlivě či společně.

Odkazy

1. ´Syntetický´ je v tomto případě použito jako adjektivum ke slovu ´syntéza´spíše než jako synonymum k ´umělý´ – čili to vyjadřuje, že syntéza mnohočetných menších mutací je pro buňku nebo organizmus smrtelná. Proto je ´syntetický´ zhruba myšleno jako synonymum pro ´synergický´.
2. Kaelin Jr, W.G., The concept of synthetic lethality in the context of anticancer therapy, Nature Reviews Cancer 5:689–698, 2005.
3. Chybová katastrofa nastane tehdy, když se škodlivé mutace akumulují rychleji než je přírodní výběr může odstranit. Vede to k nepřetržitému poklesu zdatnosti v každé generaci. Nedojde-li k obratu, dojde k zániku populace.
4. Khan, A.I., Dinh, D.M., Schneider, D., Lenski, R.E. and Cooper, T.F., Negative epistasis between beneficial mutations in an evolving bacterial population, Science 332:1193–1196, 2011.
5. Chou, H.-H., Chiu, H.-C., Delaney, N.F., Segrè, D. and Marx, C.J., Diminishing returns epistasis among beneficial mutations decelerates adaptation, Science 332:1190–1192, 2011.
6. Khan et al., ref. 3, p. 1195.
7. Khan et al., ref. 3, p. 1193. Return to text.
8. Chou et al., ref. 4, p. 1191.
9. Sanford, J., Genetic Entropy and the Mystery of the Genome, 3rd edn, FMS Publications, New York, 2008.