Informacija

Ar vietinė pusiausvyra yra pagrįsta evoliucijos procesų prielaida?

Ar vietinė pusiausvyra yra pagrįsta evoliucijos procesų prielaida?

We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

fe BX rR EW QD gm mD LF lD qI Pj

Kai žiūriu į diskusijas apie kūno rengybos kraštovaizdį (ypač Kauffmano NK modelį), klausimai yra panašūs:

Gyventojų pusiausvyra yra vietinė, tačiau egzistuoja kita aukštesnio pasirengimo pusiausvyra. Kaip gyventojai kirs fitneso slėnį tarp šių pusiausvyrų?

Tokie teiginiai daro prielaidą, kad gyventojai pasiekė vietinę pusiausvyrą. Nors vietinė pusiausvyra turi egzistuoti, kodėl šioje srityje dirbantys žmonės tiki, kad juos galima rasti prieš aplinkos (ar kitų išorinių įvykių) pakeitus kūno rengybos funkciją? Ar laiko intervalai, kurių reikia norint pereiti nuo atsitiktinės pradinės populiacijos iki vietinės pusiausvyros, yra suderinami su tipiniais laiko intervalais, pagal kuriuos fiksuotas kūno rengybos kraštovaizdis yra tinkamas apytikslis skaičiavimas?

Jei pereisime prie poliarinio priešingo visiško nuo dažnio priklausomo atrankos modelio (tarkime, replikatoriaus dinamika evoliucinio žaidimo teorijoje), tada ribiniai ciklai (galvokite apie akmenų ir popieriaus žirklių žaidimą) ir chaotiški atraktoriai yra įprasti, todėl populiacijos genetika gali nuolat keistis ir niekada būti pusiausvyroje.

Eksperimentinėje aplinkoje taip pat atrodo, kad nors naudingos taškinės mutacijos yra daug retesnės nei žalingos, jos egzistuoja. Tai leistų manyti, kad eksperimentiškai organizmai nėra vietinės pusiausvyros. Ar pavyzdiniai organizmai linkę būti vietinėje tinkamumo pusiausvyroje?

Apskritai, ar vietinės pusiausvyros prielaida atliekant kūno rengybos kraštovaizdžio tyrimus yra pagrįsta prielaida?


Niekas nėra vietinėje genomo pusiausvyroje. Grahamas Bellas apie tai rašė gana daug (IIRC).

Kai kurie lokusai

  • bus tokie, kokie tikėtini pasauliniai optimalūs (pvz., citochromo oksidazė)
  • bus vietiniai, bet ne pasauliniai optimalūs (pvz., atsparumas maliarijai žemo fizinio pasirengimo atveju, palyginti su dideliu atsparumu maliarijai: ypač šaunios istorijos ieškokite šiame puslapyje)
  • nebus optimalaus, nes aplinka pasislenka per greitai (pvz., lokusai aiškiai pasirenkami nuo dažnio, pvz., MHC).

Taigi, apskritai, tai priklauso nuo to, ką bandote modeliuoti. Jei norite modeliuoti tam tikros rūšies evoliucinius pokyčius, modeliuokite tokius evoliucinius pokyčius. Jei norite modeliuoti kitokio pobūdžio pokyčius, modeliuokite tokius evoliucinius pokyčius. Tikėtina, kad natūralios populiacijos tam tikrą laiką vadovausis bet kokiu modeliu, bet tikriausiai niekada nesilaikys jokio modelio visą laiką.


Manau, kad prisiekusiųjų komisija šiuo klausimu pasisakė, yra pavyzdžių, įrodančių tiek už, tiek prieš vietos pusiausvyros pasiekiamumą, ir net šie pavyzdžiai gali būti interpretuojami įvairiai. Pateikiu tris įrodymus ir keletą interpretacijų. Apskritai, perskaičiusi tai, jaučiu, kad pusiausvyros prielaida yra įsišaknijusi matematiniuose modeliuose dėl patogumo ir istorinių priežasčių, o ne dėl to, kad yra rimtų įrodymų. (Daugiau apie tai išplėsiu šiame tinklaraščio įraše).

Įrodymai prieš: estigialinius bruožus ir makroevoliucinius pokyčius

Žvelgiant iš visos genomo perspektyvos, atrodo, kad pusiausvyra prieštarauja gamtininkų intuicijai. Pavyzdžiui, apsvarstykite savo kūno ypatybes, tokias kaip apendiksas, žąsies gumburai, tonzilės, išminties dantys, trečiasis vokas arba antrasis pėdos vidurio sąnarys, kurį nejuda dėl įtemptų raiščių (žr. vaizdo įrašą žemiau). Ar nebūtų veiksmingiau (taigi ir nežymiai geresnė kūno rengyba), jei neeikvotumėte energijos šioms funkcijoms sukurti? Žinoma, šis gamtininko argumentas neįtikina, nes nežinome, ar yra kokių nors mažų mutacijų, kurios galėtų pašalinti šias liekanas mūsų vystymosi ypatybes, galėčiau tiesiog apibūdinti kitokį vietinį optimalumą, esantį kitoje kūno rengybos slėnio pusėje. iš mano dabartinės viršūnės.

Kitas viliojantis natūralistinis makroevoliucinių pokyčių pavyzdys, pavyzdžiui, rūšiavimas, taip pat neįtikina statinio kūno rengybos kraštovaizdžio atžvilgiu. Įprasta replika yra ta, kad tokiais laiko intervalais aplinka nėra pastovi ir priklauso nuo organizmų per tokius mechanizmus kaip nišos konstrukcija arba priklausomybė nuo dažnio. Ši vietinės pusiausvyros gynyba iš tikrųjų yra pagrindinė punktyrinės pusiausvyros evoliucijos teorijos dalis; aplinka keičiasi (dėl išorinio poveikio, pvz., meteoro, arba dėl vidinio poveikio, pvz., migracijos ar nišos statybos), ir laukinis tipas netampa lokaliai optimalus, tačiau prisitaikymas greitai perkelia rūšį į naują netoliese esantį vietinį optimalumą, kuriame ji išlieka ilgą laiką. laiko iki kito aplinkos pakeitimo. Natūralistinių stebėjimų nepakanka šiam klausimui išspręsti, todėl turime pereiti prie eksperimentų.

Įrodymas: giminingumo brendimas

Evoliucinis procesas, vedantis į afinitetą, trunka labai trumpai, paprastai vietinė pusiausvyra nustatoma tik po 6–8 nukleotidų pokyčių CDR (Crews ir kt., 1981; Tonegawa, 1983; Clark ir kt., 1985), todėl jūs turite. reikia tik kelių taškinių mutacijų, kad greitai sukurtų drastiškai geriau suderintą antikūną – adaptyvų procesą, kuris vyksta kelias dienas. Reikia atsiminti dvi išlygas:

Pirma, pritaikytos B ląstelės nebuvo eksperimentiškai izoliuotos ir nebuvo patikrintos visos jų taškinės mutacijos, siekiant užtikrinti, kad būtų pasiektas tinkamumo pikas. Tiek teoriniame, tiek eksperimentiniame evoliucijos traktavime yra žinoma, kad kūno rengybos padidėjimas linkęs rodyti geometriškai mažėjančios grąžos modelį (Lenski ir Travisano 1994; Orr, 1998; Cooper ir Lenski, 2000), o tai reiškia, kad po kelių kartų fitnesas pasikeičia. bus toks mažas, kad fiksacijos laikas didelėje B ląstelių populiacijoje bus ilgesnis nei patogeno, sukeliančio imuninį atsaką, buvimas. Gali būti, kad daugiau žingsnių nematysime, nes atliekant kitus žingsnius kūno rengybos padidėjimas gali būti per mažas, kad būtų galima nustatyti, kol aplinka (taigi ir kūno rengybos kraštovaizdis) vėl pasikeis.

Antra, kaip matyti iš AID baltymo (ir kitų mechanizmų), kurie padidina mutacijos greitį kelis kartus $10^6$ Kartu su genu, koduojančiu antikūnų baltymus, tai kūno rengybos kraštovaizdis, kurį suformavo ankstesnė žmogaus imuninės sistemos evoliucija, siekiant kuo greičiau rasti tinkamus mutantus. Tai nukreipia reiškinį į kraštovaizdžius, kuriuose vietinius maksimumus būtų lengviau rasti nei įprastai, todėl jis nėra tinkamas kandidatas svarstyti evoliuciją tipiškesnėmis sąlygomis.

Įrodymai prieš: ilgalaikis evoliucijos eksperimentas

Tipiškesnis nustatymas gali būti evoliucija E. coli statiškame fitneso kraštovaizdyje. Čia biologai vykdė ilgalaikius eksperimentus, stebėdami populiaciją daugiau nei 50 000 kartų (Lenski ir Travisano, 1994; Cooper ir Lenski, 2000; Blount ir kt., 2012), ir vis dar atranda prisitaikymą ir nežymų kūno rengybos padidėjimą. Tai rodo, kad vietinis optimalumas greitai nerandamas, nors aplinka yra statiška. Tačiau sunku įvertinti adaptyvių mutacijų, kurios užsifiksavo šioje populiacijoje, skaičių, o Lenski (2003) apskaičiavo, kad per pirmąsias 20 000 kartų buvo užfiksuota tik 100 adaptyvių taškinių mutacijų. Taip pat sunku ginčytis, kad tarp matavimų populiacija nepereina mažų kūno rengybos slėnių, o tai gali būti naudojama teigti, kad kolonija šokinėja iš vienos lengvai randamos vietos pusiausvyros į kitą.

Nuorodos

Blountas, Z. D., J. E. Barrickas, C. J. Davidsonas ir R. E. Lenskis. (2012). Pagrindinės eksperimentinės Escherichia coli populiacijos naujovės genominė analizė. Gamta 489: 513-518.

Clark, S.H., Huppi, K., Ruezinsky, D., Staudt, L., Gerhard, W. ir Weigert, M. (1985). Inter- ir intrakloninė įvairovė antikūnų atsake į gripo hemagliutiną. J. Exp. Med. 161: 687.

Cooperis, V.S. ir Lenskis, R.E. (2000). Ekologinės specializacijos populiacinė genetika vystosi Escherichia coli gyventojų. Gamta 407: 736-739.

Crews, S., Griffin, J., Huang, H., Calame, K. ir Hood, L. (1981). Vienas V geno segmentas koduoja imuninį atsaką į fosforilcholiną: somatinė mutacija koreliuoja su antikūno klase. Ląstelė 25: 59.

Kauffman, S.A. ir Weinberger E.D. (1989). Tvirtas kūno rengybos kraštovaizdžio NK modelis ir jo taikymas imuninio atsako brendimui. Teorinės biologijos žurnalas, 141(2): 211-245.

Lenskis, Richard E. (2003). "Fenotipinė ir genomo evoliucija per 20 000 kartų eksperimentą su Escherichia coli bakterija". In Janick, Jules. Atsiliepimai apie augalų veisimą (Niujorkas: Wiley) 24 (2): 225-65.

Orr, H.A. (1998). Adaptacijos populiacijos genetika: adaptacinės evoliucijos metu fiksuotų veiksnių pasiskirstymas. Evoliucija 52: 935-949.

Tonegawa, S. (1983). Somatinė antikūnų įvairovės generacija. Gamta 302: 575.


Dabartiniai matematiniai aminorūgščių sekos evoliucijos modeliai dažnai taikomi variantuose, kurie atitinka jų numatomą aminorūgščių dažnį su tuo, kuris stebimas analizuojamame duomenų rinkinyje. Tai buvo pasiekta nustatant momentinį likučių pakeitimo greitį i kitu likučiu j proporcingas stebimam susidariusio likučio dažniui j. Aprašome bendresnį metodą, kuris palaiko atitiktį tarp laukiamų ir stebimų dažnių, bet leidžia pakeitimo greičius būti proporcingiems ir pakeistų, ir gautų likučių dažniams, padidintiems iki kitokios nei 1 laipsnio. Aminorūgščių derinimo duomenų bazės analizė rodo, kad evoliucijos proceso aprašymas daugumoje (apie 70% iš 182 lygiavimų) yra žymiai patobulintas naudojant naują metodą, o įvairios analizės rodo, kad parametrų įvertinimas nauju metodu yra geras. Patobulinti evoliuciniai modeliai pagerina mūsų supratimą apie molekulinės evoliucijos procesą ir dažnai tikimasi, kad jie pagerins filogenetines išvadas, todėl atrodo pagrįsta atsižvelgti į naujus esamų standartinių modelių variantus, kai atliekame evoliucinę aminorūgščių sekų analizę. Panašūs metodai gali būti naudojami su nukleotidų pakeitimo modeliais, tačiau mes nenustatėme, kad jie reikšmingai pagerintų mūsų gebėjimą apibūdinti nukleotidų sekos evoliucijos procesus.

Geresnių matematinių molekulinės sekos evoliucijos modelių tyrimai ir toliau domina dėl daugelio priežasčių. Kai sudėtingas modelis statistiškai reikšmingai pagerina atitikimą stebimiems duomenims, palyginti su paprastesniu modeliu, biologiniai veiksniai, atitinkantys papildomą sudėtingumą, gali būti laikomi svarbiais tų sekų evoliucijos procese. Tai padidina mūsų supratimą apie molekulinę evoliuciją, o modeliai gali būti naudojami šiems biologiniams veiksniams tirti išsamiau nei anksčiau. Pavyzdys yra patobulintas gebėjimas aptikti molekulinę adaptaciją, kurią sukūrė nauji selektyvaus slėgio modeliai, veikiantys DNR, apžvelgti Yang ir Bielawski (2000).

Taip pat galime tikėtis, kad realistiškesni modeliai duos patikimesnes išvadas apie biologinius veiksnius, kuriais jie dalijasi su paprastesniais modeliais, pavyzdžiui, filogenetinėmis topologijomis ir šakų ilgiais. Šis pagerėjimas gali atsirasti dėl geresnio jų gebėjimo atsižvelgti į veiksnius, į kuriuos paprastesni modeliai nepaiso ir kurių įtaka stebimiems duomenims kitaip gali būti neteisingai interpretuojama. Šis lūkestis paprastai buvo patvirtintas tiek teoriniais modeliavimo tyrimų rezultatais (pvz., Kuhner ir Felsenstein, 1994 Zhang, 1999), tiek empiriniais rezultatais (pvz., Cunningham, Zhu ir Hillis, 1998 Takezaki ir Gojobori, 1999 Philippe ir Germot, 2000 Yoder ir Yoang), nors Posada ir Crandall (2001) aprašo įdomią išimtį.

Pastaruoju metu buvo padaryta didelė pažanga tobulinant sekos evoliucijos modelius (peržiūrėjo, pvz., Liò ir Goldman 1998 Thorne 2000 Whelan, Liò ir Goldman 2001). Šis darbas remiasi statistiniais testais, kurie gali palyginti konkuruojančius modelius ir diagnozuoti jų trūkumus (Felsenstein 1981 Goldman 1993).a, 1993b Yang, Goldman ir Friday 1994 Whelan ir Goldman 1999 Goldman ir Whelan 2000 Ota ir kt. 2000). Amino rūgščių pakeitimo modeliai buvo patobulinti naudojant didžiausios tikimybės (ML) metodus, leidžiančius nustatyti pakeitimo greičio parametrus (Adachi ir Hasegawa 1996 Yang, Nielsen ir Hasegawa 1998 Adachi ir kt. 2000 Whelan ir Goldman 2001). Tiek aminorūgščių pakeitimo, tiek DNR pakeitimo modeliai buvo patobulinti, įtraukus evoliucijos greičio heterogeniškumą (Yang 1994).a, 1996). Kodono lygio modeliai dabar gali išbandyti atrankos poveikį sekos evoliucijai ir leisti aptikti atskiras vietas, kuriose veikia atranka (Nielsen ir Yang 1998 Yang ir kt. 2000 Anisimova, Bielawski ir Yang 2001).

Numatomas nukleotidų, aminorūgščių ar kodonų dažnis gali būti suderintas su stebimais analizuojamuose duomenyse. Tai paprastai lemia žymiai patobulintus modelius ir tapo plačiai paplitęs. DNR modeliams dėl to dažnai buvo naudojami FEL (Felsenstein 1981) ir HKY (Hasegawa, Kishino ir Yano 1985) modeliai, o ne JC (Jukes ir Cantor 1969) ir K2P (Kimura 1980) modeliai. Aminorūgščių modeliams tas pats buvo pasiektas Cao ir kt. „+F“ metodu. (1994) . Kodonų modeliams analogiškus metodus pirmą kartą aprašė Muse ir Gaut (1994) bei Goldman ir Yang (1994). Visi šie modeliai pasiekia vienodus dažnius, kurių tikimasi pagal modelį ir stebimi duomenyse, nustatydami momentinius evoliucinių pokyčių greičius, proporcingus stebimam nukleotido, aminorūgšties ar kodono, į kurį keičiasi, dažniui.

Šiame straipsnyje aprašome šių metodų apibendrinimą, leidžiantį evoliucijos greitį priklausyti nuo pakeičiamo nukleotido, aminorūgšties ar kodono dažnio, taip pat nuo pakeitimo dažnio. Tai įveda tik vieną papildomą parametrą (arba laisvės laipsnį) modeliui. Pritaikėme naują metodą, pažymėtą „+gwF“, DNR pakeitimo ir aminorūgščių pakeitimo modeliams ir parodėme, kad naujasis metodas leidžia statistiškai reikšmingai pagerinti modelių pritaikymą duomenims didelėje aminorūgščių duomenų rinkinių dalyje. baltymų šeimų derinimo duomenų bazėje. Mūsų metodas vienodai taikomas kodonų modeliams, nors mes dar neištyrėme jo naudingumo šiame kontekste.


Šiuolaikiniai požiūriai į vietinį prisitaikymą*

Vietos adaptacijos tyrimas buvo labai svarbus evoliucinės biologijos vystymuisi plačiai. Ši tradicija tęsiasi dėl naujų pokyčių įvairiose srityse, mes turime daugiau supratimo apie vykstančio evoliucijos proceso prigimtį nevienalyčiame erdviniame kontekste nei bet kada anksčiau. Šis specialus numeris išėjo iš 2014 m. Amerikos gamtininkų draugijos viceprezidentų simpoziumo, kuriame susirenka išskirtiniai tyrėjai, atliekantys teorinį ir empirinį darbą, laboratorinius ir lauko darbus su naujais duomenimis ir naujais analizės mazgais. Tirdami vietinį prisitaikymą sužinome apie didžiulį genetinės ir fenotipinės biologinės įvairovės šaltinį rūšių viduje ir tarp jų.

Vietos adaptacijos tyrimas yra pagrindinis tiek šiuolaikinėje evoliucinėje biologijoje, tiek jos šaknyse. Kai adaptacija yra lokali, evoliucinis procesas gali būti tiriamas veikiant, leidžiant pamatyti svarbius populiacijos genetinius variantus ir turėti žaliavos genotipų adaptaciniams skirtumams tirti.

Istoriškai vietinės adaptacijos tyrimas buvo labai svarbus šios srities plėtrai. Iš tiesų, vienas iš pirmųjų frazės „vietinis pritaikymas“ pavartojimų – nors ir su kiek kitokiais tikslais – buvo Patricko Matthew diskusijoje apie miškininkystę laivybos medienai, kurioje jis apibūdino konkrečiam atvejui tinkamų medžių sodinimo svarbą. plotas (Matas 1831 žr. p. 307). Mato knyga žymi tuo, kad jis laukė (priede) natūralios atrankos idėjos likus 28 metams iki knygos išleidimo. Rūšių kilmė (Darvinas, 1859). Nors šis darbas beveik neturėjo įtakos evoliucinės minties augimui, dauguma klasikinių lauko tyrimų apie evoliuciją – Darvino kikiliai, Cepea nemoralis, Biston betularia, lazdelės, Agrostis tenuis, Mimulusir t.t. – tai vietinės adaptacijos tyrimai.

Vietinė adaptacija skatina išlaikyti biologiškai svarbią genetinę variaciją. Sakydamas „biologiškai reikšmingas“ turiu galvoje, kad aleliai, apsaugoti balansuojančios atrankos, lydinčios heterogeninę atranką, yra tikrinami natūralios atrankos, kad būtų palankūs bent tam tikroje aplinkoje. Dėl to šie aleliai yra genetinės variacijos rezervuaras, kuris tikriausiai bus labiau naudingas naujuose kontekstuose nei naujos mutacijos sukuriamos variacijos. Nors mes vis dar nežinome, net po beveik šimtmetį trukusių tyrimų, santykinės skirtingų mechanizmų svarbos genetinės variacijos palaikymui, pagrįsta manyti, kad bet kokia genetinė variacija, kurią išsaugoma erdvinio balansavimo atranka, greičiausiai bus naudingesnė leidžianti gyventojams reaguoti į ateities iššūkius nei kiti mechanizmai, palaikantys genetinę variaciją. Kai kuriais atvejais biologinė įvairovė, kurią sukuria heterogeninė atranka, viršija rūšies lygį, nes atrodo, kad vietinis prisitaikymas yra pagrindinis naujų rūšių evoliucijos veiksnys.

Pastaraisiais metais įvairūs požiūriai ir įrankiai atgaivino lokalios adaptacijos tyrimus tiek empiriškai, tiek teoriškai (Savolainen 2013). Naujoji DNR technologija žada geresnę informaciją apie genetinį vietinio prisitaikymo pagrindą, nauja statistinė technologija leidžia efektyviau surinkti šią informaciją, o nauja teorija padeda išsiaiškinti, ko tikėtis ir kaip suprasti šiuos rezultatus. Tuo pačiu metu klasikiniai metodai yra kaip niekad svarbūs, o iš lauko stebėjimų ir eksperimentų natūraliomis sąlygomis gaunama daug įdomios naujos informacijos. Šiame specialiame numeryje yra surinkta puikių mokslininkų, taikančių įvairius metodus vietiniam prisitaikymui tirti, indėlių kolekcija.

Kai kalbame apie vietinį prisitaikymą, kartais turime omenyje procesą, o kartais – modelį. Vietinės adaptacijos procese dėl vietinės atrankos populiacijos vystosi taip, kad jos geriau atitiktų vietos sąlygas.Tam tikra prasme visa atranka yra vietinė, todėl vietinę adaptaciją nustatome konkrečiau nei tiesiog prisitaikymą prie vietinių sąlygų, vietinės adaptacijos proceso tyrimuose daugiausia dėmesio skiriama procesui, kai gyventojai ypač gerai prisitaiko prie vietos sąlygų. Modelis, kurį mes apibūdiname kaip vietinį prisitaikymą, iš esmės yra tai, kad asmenys vidutiniškai yra geriau pasirengę tose srityse, kuriose jie yra, nei kitose vietose, nors konkrečios detalės, kaip tai turėtų būti matuojama, yra įdomios. nesutarimas (Kawecki ir Ebert 2004 Blanquart et al. 2013).

Įdomu tai, kad ne visi atvejai, kai populiacijos prisitaiko prie vietinių sąlygų, lemia dėsningumus, kai vietinės populiacijos yra labiau pasirengusios vietoje nei kitur, ir ne visi aukšto ar žemo vietos tinkamumo modeliai numato, ar atranka buvo atlikta vietoje. Mūsų matomas modelis nebūtinai visiškai atitinka mus dominančius procesus. Vietinės populiacijos gali būti prisitaikiusios prie vietinių sąlygų ir vis dėlto būti prastesnės nei užsienio individai, pavyzdžiui, jei vietiniams gyventojams taip pat buvo taikoma pakankamai giminingoji depresija. Ir atvirkščiai, dėl riboto genų srauto populiacijos gali vystytis labai lokaliai, todėl tolimos populiacijos nedaro didelės įtakos viena kitai ir turi beveik nepriklausomas evoliucijos trajektorijas. Tačiau jei šios populiacijos patiria panašią selektyvią aplinką, vienoje vietovėje tinkami genotipai gali būti tokie pat tinkami ir kitur, todėl vienos populiacijos individų tinkamumas nesiskiria, nesvarbu, kur jie būtų tiriami. Toks „vietinės“ adaptacijos procesas – ta prasme, kad adaptacijos procesas iš esmės vyksta lokaliai – gali sukelti genetinius skirtumus tarp populiacijų, bet tiesiogiai nesukeltų vietinės adaptacijos modelio, kurio paprastai tikimės. Peterio Ralpho ir Grahamo Coopo straipsnis šiame numeryje rodo, kad tokia lygiagreti evoliucija gali sukelti ilgalaikius genetinės diferenciacijos modelius, net jei nėra erdviškai nevienalytės atrankos (Ralph ir Coop 2015). Jie taiko savo teoriją įspūdingam atsparumo maliarijai pavyzdžiui, kai žmonėms vystosi gliukozės-6-fosfato dehidrogenazė.

Remiantis teorija, populiacijos gebėjimas evoliucionuoti pagal vietines sąlygas genų srauto akivaizdoje priklauso nuo aptariamų bruožų genetinio pagrindo (Haldane 1930 Bulmer 1972 Yeaman ir Otto 2011). Be to, kaip minėta pirmiau, viena iš svarbesnių vietinės adaptacijos pasekmių yra ta, kad ji gali būti siejama su ekologiškai naudingos rūšies genetinės dispersijos palaikymu. Todėl vietinės adaptacijos genetinis pagrindas yra labai įdomus ne tik norint suprasti šį specifinį procesą, bet ir suprasti adaptacijos genetinį pagrindą apskritai.

Ši sritis pastaruoju metu padarė didelę pažangą žinant apie genetinį vietinio prisitaikymo pagrindą, kai kurie iš jų pateikiami šiame numeryje. Taikydamas teorinį metodą, Sam Yeaman parodo, kad vietinis prisitaikymas vyksta daug lengviau su didelio poveikio aleliais, tačiau toks prisitaikymas yra įmanomas dėl poligeninio atsako (taip pat žr. LeCorre ir Kramer 2012). Tačiau kai atsakas atsiranda dėl nedidelio poveikio alelių, populiacijų genetinį skirtumą sukelia subtilūs daugelio lokusų dažnio pokyčiai. Šie poslinkiai ir kurie lokusai yra atsakingi už vietinę adaptaciją, yra laikini, todėl genai, atsakingi už genetinę diferenciaciją, laikui bėgant skiriasi.

Šis rezultatas apšviečia genomo nuskaitymo interpretacijas, kurios pastaraisiais metais tapo vis labiau įmanomos ir populiaresnės. Mažėjant sąnaudoms ir didėjant DNR duomenų analitinėms technologijoms, tapo įmanoma gauti bent šiek tiek įžvalgų iš erdviškai skirtingų mėginių duomenų sekos, kad būtų galima rasti kai kuriuos lokusus, atsakingus už vietinį prisitaikymą. Šie metodai paprastai būna dviejų formų: jie arba apskaičiuoja tam tikrą genetinės diferenciacijos matą (pvz., FST) ir ieškokite lokusų, kurie yra nulinio pasiskirstymo nukrypimai, arba jie ieško neįprastai didelių asociacijų tarp vietinių alelių dažnių ir svarbių aplinkos kintamųjų. Šie metodai dažnai susiduria su daugybe problemų, kartais įskaitant netinkamą nulinio modelio pasirinkimą, neišsamius duomenis visame genome ir ribotą galią, kurią sukelia ribotų imties dydžių derinys ir būtinybė atlikti kelis palyginimo pataisymus. Yeamano straipsnis rodo, kad vietinės adaptacijos dalį, kuri atsiranda dėl nedidelio poveikio alelių, turėtų būti sunku aptikti ne tik dėl mažo efekto dydžio per se (kuris paveiktų kiekybinius bruožų lokuso [QTL] metodus, bet neturėtų tiesioginės įtakos genomo skenavimui ), bet ir todėl, kad tokių lokusų dažnių skirtumai turėtų būti nedideli (Yeaman 2015). Naujausias Berg ir Coop (2014) darbas nurodo galimą būdą, kaip rasti kumuliacinį tokių lokusų poveikį, tačiau šio metodo naudojimui reikalingi duomenys (ankstesnis bruožą veikiančių lokusų identifikavimas atliekant viso genomo asociacijos tyrimus). šiuo metu paprastai neprieinama nemodelinėms sistemoms.

Tačiau ribota galia aptikti lokusus, iš tikrųjų atsakingus už vietinį prisitaikymą, yra tik pusė problemos. Ir atvirkščiai, daugelis dažnai naudojamų genomo nuskaitymo metodų taip pat turi aukštus klaidingų teigiamų rezultatų rodiklius (Lotterhos ir Whitlock 2014). Šiame numeryje Katie Lotterhos ir aš pristatome naują metodą, vadinamą OutFLANK, kuris bent iš dalies išsprendžia klaidingai teigiamą problemą FSTpagrįsti genomo nuskaitymai be didelio galios praradimo (Whitlock ir Lotterhos 2015).

Dėmesys alelinio poveikio dydžių pasiskirstymui vietiniam prisitaikymui taip pat turi svarbių pasekmių paties vietinio prisitaikymo pobūdžiui. Kai labai skiriasi alelių poveikio dydžiai, veisimosi verčių pasiskirstymas populiacijose, kurios patiria vietinį prisitaikymą ir pasikartojančią migraciją, gali būti iškreiptas, kartais stulbinančiai, kaip rodo Florence Débarre, Samas Yeaman ir Fred Guillaume (Débarre ir kt.). . 2015). Tai lemia vietinės atrankos ir migracijos sąveika, dėl kurios pastarųjų migrantų palikuonys gali būti toli nuo vietinio vidurkio. Kai šis migracijos poveikis yra kryptingas, kaip būtų galima tikėtis ekstremalioje aplinkoje arba dviejų aplinkų scenarijuose, imigrantų ir jų palikuonių genetinės vertės lemia, kad veisimosi vertės pasiskirstymas nukrypsta į kitos (-ių) populiacijos (-ių) vidurkį. Dėl to atsiradusio normalumo trūkumo kai kurių kiekybinių genetinių prognozių prielaidos yra netikslios.

Be poveikio dydžio pasiskirstymo, svarbūs ir kiti vietinio prisitaikymo genetinės architektūros aspektai. Alelių, atsakingų už vietinę adaptaciją, pleiotropinis poveikis lemia ne tik tai, kaip lengvai gali būti veiksminga vietinė atranka, bet ir tų alelių pasekmes, kai jie perkeliami į kitą aplinką. Vietos prisitaikymo teorija dažnai sukelia kompromisus (kai vienoje aplinkoje gerai veikiantys aleliai blogai veikia kitose aplinkose, palyginti su kitais tame lokuse esančiais aleliais). Naujausi QTL tyrimai parodė, kad tai dažnai nebūtinai yra atvejis, kai daugelis alelių rodo sąlyginio neutralumo modelius (kai vienoje aplinkoje vienas alelis yra palankesnis už kitą, tačiau nėra pastebimų tinkamumo skirtumų kitose aplinkose. Ågren ir Schemske 2012 Anderson ir kt. 2012 Lowry, 2012).

Tačiau naudojant QTL duomenis sunku, nes sunku įvertinti mažus efektų dydžius, pasakyti, kad kompromiso tikrai nėra. Dėl šios priežasties (be kita ko) naudinga tirti vietinę adaptaciją labiau kontroliuojamoje aplinkoje, pvz., labai pakartojamomis sąlygomis, kurias leidžia laboratoriniai eksperimentinės evoliucijos su mikrobais tyrimai. Šiame numeryje pateiktas Alanos Schick, Susan Bailey ir Rees Kassen straipsnis yra puikus tokio darbo pavyzdys, rodantis, kad vietinis prisitaikymas prie naujos aplinkos pirmiausia atsiranda dėl alelių, kurie greičiausiai yra sąlygiškai neutralūs (arba galbūt netgi naudingi). protėvių aplinka Schick ir kt., 2015). Tačiau vėlesni lokaliai pritaikyti aleliai labiau linkę sukelti kompromisus protėvių aplinkoje. Eksperimentiniai mikrobų evoliucijos tyrimai žada mums išsiaiškinti vietinio prisitaikymo genetinį pagrindą tokiais būdais, kurie niekada negali būti įmanomi sudėtingesnėje ir mažiau kontroliuojamoje aplinkoje organizmuose, kurių genomai yra didesni.

Tačiau galiausiai mums labiausiai rūpi vietinis prisitaikymas gamtoje. Yra ilga istorija, tiriant vietinį prisitaikymą natūraliose populiacijose, ypač augaluose. Yra trys susiję dizainai, kurie buvo dažniausiai naudojami eksperimentiniam fenotipo ir tinkamumo populiacijų genetiniam diferencijavimui tirti: bendri sodai, abipusiai transplantacijos ir kilmės tyrimai. Atliekant bendrą sodo tyrimą, dviejų ar daugiau vietovių genotipai auginami bendromis sąlygomis, kad būtų galima (be kita ko) įvertinti tų vietovių skirtumų genetinį pagrindą. Toks eksperimentas suteikia daug informacijos apie genetinį fenotipų pagrindą (Spitze, 1993, Whitlock, 2008), bet mažiau informacijos apie vietinės adaptacijos in situ laipsnį. Atliekant abipusio transplantacijos tyrimą (peržiūrėtas 2009 m. Hereforde), asmenys iš mažiausiai dviejų vietovių auginami tiek ten, kur jie buvo surinkti, tiek kitų genotipų surinkimo vietoje (-ėse), kad galėtume turėti „namų“ ir „ne“ tinkamumą. priemonės abiem populiacijoms. Toks eksperimentas leidžia išmatuoti vietinės adaptacijos mastą (Kawecki ir Ebert 2004 Blanquart ir kt., 2013). Galiausiai, atliekant eksperimentinį planą, kuris buvo įprastas tiriant miško medžius, individai iš kelių surinkimo vietų („provenances“) auginami keliose bandymų vietose, kurios apima įdomius aplinkosaugos aspektus. Šie kilmės bandymai nebuvo dažnai taikomi ne medžių rūšims.

Šiame numeryje Jill Anderson, Nadeesha Perera, Bashira Chowdhury ir Thomas Mitchell-Olds pritaiko kilmės tyrimo metodą vienam iš geriausiai ištirtų vietinio prisitaikymo pavyzdžių, forb. Boechera stricta virš aukščio gradientų Uoliniuose kalnuose (Anderson ir kt., 2015). Jie puikiai parodo vietinio prisitaikymo sudėtingumą, įskaitant tai, kaip jis gali skirtis atsižvelgiant į biotinį ar abiotinį aplinkos kintamąjį, kaip jis gali būti stiprus kai kuriose vietovėse, o silpnas kitur, ir kaip tam tikromis aplinkybėmis gali būti net vietinis netinkamas prisitaikymas. . Tyrimas yra puikus priminimas apie neįtikėtiną natūralių sistemų sudėtingumą, palyginti su teoriniais ar net laboratoriniais tyrimais.

Norint suprasti vietinį prisitaikymą, reikia įvairių požiūrių, įskaitant teorinius, statistinius ir empirinius metodus, laboratorijoje ir lauke. Vietos prisitaikymo studijos vyksta įdomiu metu, atsiranda naujų idėjų ir naujų technologijų. Manau, kad jums patiks šio numerio straipsniuose pateikiamų metodų įvairovė ir kokybė.


Rezultatai ir DISKUSIJA

Kairiajame 1 paveikslo skydelyje parodytas kintamosios srovės mikrosatelitų periferinių 5′ briaunų segmentų ilgių log dažnio pasiskirstymas žmogaus genome. Dažnis mažėja ilgėjant iki 10 pakartojimų ir tada yra maždaug vienodas su maždaug 10 3 mikrosatelitais viename genome kiekvienam ilgiui nuo 10 iki 20 pakartojimų, o vėliau mažėja. 17 parametrų slydimo / taško mutacijos modelio pritaikymo prie šių duomenų naudojant analitinį metodą rezultatas parodytas 1 paveikslo dešinėje skydelyje. Kiekvienas parametras nurodo ilgiui būdingą slydimo koeficientą, si, taško mutacijos greičio kartotiniais. Kiekvienam mikropalydovui buvo priskirtas vienas parametras, kurio ilgis yra nuo penkių iki 20 pakartojimų imtinai, o po to buvo daroma prielaida, kad bus tiesinis mažėjimas, kol bus pasiektas galutinis 25 pakartojimų ilgis (žr. 1 pav., dešinėje). Šešiolika parametrų buvo reikalingi norint nurodyti slydimo greitį, kurio ilgis yra nuo penkių iki 20 pakartojimų, o galutinis parametras nurodė slydimo greitį esant 25 pakartojimų ilgiui ir daugiau. Parametrų priskyrimas buvo sumažintas iki 17 parametrų, nes sumažėjo daugiau nei 20 pakartojimų duomenų.

Apskaičiuotas slydimo greitis, parodytas 1 paveiksle (dešinėje), yra santykinai mažas per pirmuosius keturis pakartojimus, o tada iš pradžių didėja maždaug tiesiškai su ilgiu, kaip buvo nustatyta anksčiau (Rose ir Falush 1998 Sible, Whittaker ir Talbot 2001). Tačiau, priešingai nei teoriškai tikimasi, kad slydimo greitis didėja tiesiškai didėjant ilgiui (Kruglyak ir kt., 1998), čia naudojamas sudėtingesnis modelis rodo, kad slydimo greitis pasiekia didžiausią 10 pakartojimų ilgį, o tada mažėja, maždaug tiesiškai, iki 20 pakartojimų. Slydimo dažnio sumažėjimas po 10 pakartojimų yra būtinas slydimo / taško mutacijos modelyje, kad būtų išlaikytas 1 paveikslo (kairėje) dažnio ir ilgio pasiskirstymas arti horizontalios nuo 10 iki 20 pakartojimų.

Pirmųjų penkių pertrauktų kintamosios srovės mikropalydovų segmentų dažnio ilgio pasiskirstymai žmogaus genome, skaitomi 5′–3′ kryptimi, parodyti 2 paveiksle. Pasiskirstymai rodo tam tikrus panašumus, tačiau vėlesni segmentai yra trumpesni. Kitų nei pirmasis segmentų pusiausvyros pasiskirstymas negali būti apskaičiuotas analitiškai, ir mes panaudojome modeliavimą, kad išsiaiškintume pasekmes vėlesniems slydimo modelio segmentams, parodytam 1 paveiksle (dešinėje). Taip gauti apytiksliai pusiausvyros skirstiniai yra parodyti apatinėje 2 paveikslo eilutėje. Skirtingų modeliuojamų skirstinių segmentų dažnių pasiskirstymai yra labai panašūs vienas į kitą ir nėra jokio vėlesnių segmentų sutrumpėjimo, matomo 2 pav. genomą. Be to, genome yra mažiau vėlesnių segmentų nei modeliuojant.

Pertrauktų mikropalydovų, susidedančių iš 1, 2, 3 ar daugiau segmentų, dažniai parodyti 3 paveiksle. Dažniai mažėja geometriškai, kai mikropalydovo dydis matuojamas segmentų skaičiumi, todėl kiekviename papildomame segmente mikrosatelitų skaičius yra 33,6 % mažesnis. Tinkamas griežtam geometriniam nuosmukiui yra labai geras. Imituoti mikropalydovai nerodo šio griežto geometrinio mažėjimo, o mažėjimo greitis yra lėtesnis (3 pav.).

Iki šiol segmentai buvo skaičiuojami tiesiog pagal jų padėtį nuo 5′ galo. Tačiau kintamosios srovės mikropalydovai gaminami ne tik polimerazei, replikuojanti duomenų bazėje įrašytą seką, bet ir polimerazei, keliaujančiai kita kryptimi komplemento grandine. Tai rodo, kad visi periferiniai segmentai yra lygiaverčiai, neatsižvelgiant į tai, ar jie yra 5′ ar 3′ gale, ir klasifikuoti vidinius segmentus pagal jų atstumą segmentuose nuo periferijos. Kai tai daroma (4 ir 5 pav.), intriguojančiai atrodo, kad periferiniai segmentai nuolat yra ilgiausi ir segmentų ilgiai mažėja link masyvo centro.

Bendra diskusija

Mūsų rezultatai rodo, kad išsami šių kintamosios srovės pertrauktų mikrosatellitų struktūra yra nesuderinama su esama mikrosatelitų evoliucijos slydimo / taško mutacijos teorija. Apskaičiuoti slydimo rodikliai yra palyginti maži per pirmuosius keturis pakartojimus, o tada, atsižvelgiant į ankstesnį darbą, iš pradžių didėja maždaug tiesiškai ilgio atžvilgiu (1 pav., dešinėje). Tačiau, priešingai nei tikėtasi ir eksperimentiniais įrodymais, numanomas slydimo dažnis mažėja, kai segmentų ilgis viršija 10 pakartojimų (Kruglyak ir kt., 1998 Brinkmann ir kt., 1998 Brohede ir kt., 2002 Huang ir kt., 2002). Kita problema yra ta, kad slydimo rodikliai yra per maži. 1 paveiksle (dešinėje) parodytas slydimo greitis yra išreikštas taškinių mutacijų greičio kartotiniais, o taškinių mutacijų dažnis žmonėms yra apie 10–9 vienam nukleotidui per kartą (Crow 1993). Todėl galima daryti išvadą, kad 1 paveiksle (dešinėje) pavaizduoti slydimo rodikliai yra per maži bent dviem dydžiais, nes slydimas esant didžiausiam greičiui (1 pav., dešinėje) būtų maždaug 2 × 10 -6 vienam. mejozė per kartą, o kilmės dokumentai rodo, kad vertės yra maždaug 5 × 10 -4 mejozei per kartą (Ellegren 2000). Tačiau šis neatitikimas išnyktų, jei taškinių mutacijų dažnis mikrosatelituose būtų didesnis nei kitose DNR sekose. Įdomu tai, kad neseniai buvo pasiūlyta, kad trukdžių dubliavimasis gali atsirasti dėl praslydimo (Harr, Zangerl ir Schlotterer 2000 Rolfsmeier ir Lahue 2000). Toks pertrūkių dubliavimas suteiktų panašų poveikį padidėjusiam taškinių mutacijų greičiui mikrosatelituose, kuriuose buvo bent vienas pertrūkis, ir tai galėtų paaiškinti, kodėl slydimo ir taško mutacijos greičio santykis atrodo toks mažas 1 paveiksle (dešinėje).

Slydimo/taškinės mutacijos teorija taip pat nesugeba tinkamai paaiškinti įvairių atkarpų ilgių dažnių pasiskirstymo (2 ir 5 pav.). Teorija numato, kad įvairių segmentų pasiskirstymas bus panašus, tačiau genome vėlesni segmentai yra trumpesni, skaičiuojant 5′–3′ kryptimi (2 pav.), o skaičiuojant nuo periferijos į vidų, vidiniai segmentai yra trumpesni už tuos. periferijoje (4 ir 5 pav.). Faktas, kad segmentų ilgiai mažėja link pertrauktų mikrosatellitų centro (4 pav.), rodo, kad mikropalydovai visiškai arba iš dalies stabilizuojami dėl procesų, skirtingai veikiančių vidinius ir periferinius segmentus. Tai rodo, kad stabilizavimo procesai viduje veikia stipriau nei periferiniuose mikrosatellitų segmentuose. Yra keletas tikėtinų mechanizmų, kuriais ši funkcija gali būti pasiekta. Pertrūkiai gali stabilizuoti mikropalydovą (Petes, Greenwell ir Dominska, 1997) ir galbūt blokuoti plėtimąsi (Rolfsmeier, Dixon ir Lahue, 2000, Rolfsmeier ir Lahue, 2000) arba sukelti segmento sutrumpėjimą (Taylor, Durkin ir Breden, 1999).

Vidinių mikropalydovų segmentų stabilizavimas taip pat paaiškintų kitaip mįslingą geometrinį mikrosatellitų dažnio mažėjimą su pertraukimų skaičiumi, parodytu 3 paveiksle. Geometrinis nuosmukis rodo, kad yra nuolatinė tikimybė, kad dar vienas dubliavimasis įvyks, o iš 3 pav. ši tikimybė yra 0,337. Taigi, galimybė gauti vieną dubliavimą yra 0,337, gauti du dublius yra 0,337 2, gauti tris dubliavimus yra 0,337 3 ir t.t. Iš pirmo žvilgsnio atrodo keista, kad galimybė gauti dar vieną dubliavimą nepadidėja, kai mikrosatellite jau yra pertraukų.Pavyzdžiui, jei mikropalydovas turi penkis pertrūkius, būtų galima manyti, kad jis penkis kartus labiau linkęs į slydimo mutacijas nei mikropalydovas su vienu pertraukimu. Tačiau tai galima paaiškinti, jei vidiniai pertrūkiai yra stabilizuojami, kaip aptarta aukščiau, todėl tik periferiniai pertrūkiai yra linkę dubliuotis.

Darome išvadą, kad išsami pertrauktų mikrosatellitų struktūra nesuderinama su slydimo / taško mutacijos teorija tokia paprasta forma, kokia ji buvo išbandyta čia. Nurodytas mutacijų dažnių modelis (1 pav., dešinėje) prieštarauja lūkesčiams, slydimo ir taškinių mutacijų dažnių santykis yra dviem dydžiais mažesnis nei turėtų būti, yra nepaaiškinamas įvairių dažnių pasiskirstymo ir dydžių skirtumas. segmentai (2, 4 ir 5 pav.), o pertraukų dažnių pasiskirstymas krenta greičiau nei prognozuota (3 pav.). Kai kuriuos iš šių rezultatų suderinti su teorija gali būti įmanoma pasinaudojant slydimu, kad būtų dubliuojami / pašalinami pertraukimai mikrosatelituose, kaip aprašyta aukščiau, tačiau neaišku, ar tai turėtų norimą kiekybinį poveikį.

Prognozės taip pat buvo grindžiamos prielaida, kad taškinių mutacijų greitis yra nekintamas visame genome. Tačiau yra tam tikrų priešingų įrodymų (Wolfe, Sharp ir Li, 1989 Santibanez-Koref, Gangeswaran ir Hancock, 2002). Neseniai iš tikrųjų buvo pažymėta, kad slydimo / taško mutacijos teorija numato neigiamą koreliaciją tarp mikropalydovo ilgio ir vietinio taško mutacijos greičio, ir buvo pranešta apie neigiamą koreliaciją tarp mikropalydovo ilgio ir pakaitų greičio jų gretimose sekose. lyginant ortologinius pelės ir žiurkės lokusus (Wolfe, Sharp ir Li, 1989 Santibanez-Koref, Gangeswaran ir Hancock 2002). Tuo remiantis buvo pasiūlyta, kad ilgio skirtumus tam tikru mastu lemia vietinių taškinių mutacijų greičio skirtumai. Todėl verta apsvarstyti, kaip 1 paveikslą (dešinėje) pateikusią analizę paveiktų vietiniai taškinių mutacijų greičio kitimai. Lengviausias būdas apie tai galvoti yra manyti, kad lokusai yra klasifikuojami pagal jų vietinių taškinių mutacijų dažnį, o kiekvienos tokios klasės dažnis yra žinomas. Tada kiekviena klasė atitinka tam tikrą reikšmę a (2) ir (3) lygtyse. Kiekvienos vertės pusiausvyros skirstinys a galima apskaičiuoti kaip ir anksčiau, o kiekvieno mikropalydovo ilgio dažnius galima gauti susumavus klasės dažnius. Šios analizės įgyvendinimas praktiškai turės laukti informacijos apie vietinių taškinių mutacijų dažnių pasiskirstymą.

Atsižvelgiant į tai, kad čia pateikti rezultatai yra nesuderinami su esama slydimo / taško mutacijos teorija, ar jie gali būti paaiškinti alternatyvia teorija, nurodyta Įvadas? Remiantis šia teorija, ilgesni mikropalydovai patiria daugiau susitraukimų nei išsiplėtimų, todėl yra nuo ilgio priklausomas mutacijų poslinkis (Xu ir kt., 2000). Ši „mutacijos šališkumo“ teorija tikrai gali sukurti dažnio pasiskirstymą, kaip parodyta 1 paveikslea, bet kai bandėme įtraukti jo poveikį, parametrų įverčiai nepavyko suartėti. Taigi, mes iki šiol negalėjome sujungti slydimo / taško mutacijos ir mutacijos šališkumo teorijų į vieną teoriją su įvertinamais parametrais. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad tokia teorija vis tiek turės sunkumų įvertinant pastebėtus skirtumus tarp periferinių ir vidinių segmentų (4 ir 5 pav.), todėl vis tiek reikės papildomų veiksnių, paaiškinančių vidinių segmentų stabilizavimą.

Apibendrinant, mes parodėme, kad čia pateikti rezultatai yra nesuderinami su esama slydimo / taško mutacijos teorija, be to, buvo gauta svarbios informacijos apie išsamią pertrauktų mikrosatellitų struktūrą. Dabar žinome, kad segmentų ilgiai mažėja link nutrūkusių mikropalydovų centro (4 pav.), o mikropalydovo dažnis mažėja geometriškai, kai mikropalydovo dydis matuojamas segmentų skaičiumi (3 pav.). Intriguojanti šių išvadų pasekmė yra ta, kad periferiniai segmentai iš esmės elgiasi kaip du izoliuoti ir tobuli mikrosatelitai, o kaimyniniai segmentai daro didelę įtaką vidinių segmentų augimui. Mechanistiniai šių rezultatų paaiškinimai tikriausiai apima stabilizuojantį pertrūkių poveikį, galbūt blokuojantį išsiplėtimą arba leidžiantį sutrumpinti segmentą, taip pat pašalinant pertrūkius dėl slydimo.

Dabartinis adresas: Epidemiologijos ir visuomenės sveikatos departamentas, Imperial College, Londonas, Jungtinė Karalystė.


ATRANKTI FORMALIAI

Bandymai išmatuoti atranką natūraliose sistemose, naudojant įvairių tipų gamtos istorinius stebėjimus, yra artimi Darvino konkrečiam požiūriui į natūralią atranką kaip skirtingą organizmų prisitaikymą prie jų aplinkos, lemiantį skirtingą reprodukcinę sėkmę. Tačiau galima pašalinti fiziologinius, elgesio, ekologinius ir morfologinius atrankos pagrindus, t. y. biologija natūralios atrankos, ir tiesiog paklauskite, ar yra įrodymų, kad rūšių charakterio pokyčiai turėjo būti šališki už arba prieš kai kuriuos tipus, o ne kitus, todėl pastebėtų skirtumų negalima paaiškinti grynai atsitiktiniais įvykiais. Nėra galimybės atsakyti į šį klausimą dėl fiziologinių, morfologinių ar elgesio savybių. Mes nežinome praeities organizmų aplinkos detaliai, o organizmų pokyčiai sukelia pokyčius jų santykiuose su kitomis rūšimis ir fiziniu pasauliu. Taigi visi teiginiai, kad tokie pokyčiai buvo natūralios atrankos pasekmė, gali būti tik sugalvotos istorijos be jokių patikrinimo ar falsifikavimo priemonių. Kita vertus, aminorūgščių ir nukleotidų pakaitalai evoliucijoje sudaro labai didelę ir gana homogenišką žinomos genetinės būklės pokyčių klasę, todėl klausimą galima užduoti nesiremiant natūraliais istoriniais paaiškinimais. Šis klausimas buvo pagrindinis evoliucijos tyrimų klausimas, nes King & Jukes (13) pirmą kartą atkreipė dėmesį į faktą, kad aminorūgščių pakaitalai baltymuose vyksta pastoviu greičiu per ilgą evoliucijos laikotarpį. Kova dėl „neutralistinio“ ir „selekcionistinio“ požiūrio į baltymų evoliuciją plačiąja prasme nebėra aktyvi evoliucijos tyrimų problema. Jei į neutralią teoriją įtrauksime, kad aminorūgščių pakeitimų atrankos koeficientai gali būti ne nuliniai, bet tos pačios eilės arba mažesni už efektyviųjų populiacijos dydžių grįžtamąją vertę, tada platus aminorūgščių pakeitimų vaizdas per šimtus milijonų metų yra vienas. „kvazineutralumas“.

Dabartinė šio klausimo evoliucinių tyrimų kryptis orientuota į daug trumpesnius laiko intervalus, perėjimus tarp glaudžiai susijusių rūšių ir skirtumus rūšių viduje. Klausimai yra tokie: kiek atranka riboja aminorūgščių ir nukleotidų variacijas tarp rūšių ir kiek atranka buvo svarbi skatinant aminorūgščių pakaitalus rūšių skirtumai? Kadangi neįmanoma stebėti atrankos dinamikos aminorūgščių ir nukleotidų lygiu nei rūšių viduje, nei tarp jų, reikia naudoti anksčiau aptartus statinių duomenų analizės metodus. Bandymai atlikti tokią statinę duomenų analizę, kai buvo prieinami tik aminorūgščių pakeitimo duomenys, nepavyko, nes statistiniai testai buvo neaiškiai interpretuojami (16). Tačiau nuo tada, kai buvo prieinamos visos genų DNR sekos, buvo galima naudoti kontrastą tarp nukleotidų pakaitalų skirtingose ​​funkcinėse sekos dalyse, kad būtų galima užduoti klausimus apie selektyvius apribojimus ir selektyviai skatinamus pakaitalus. Duomenys apie selektyvius aminorūgščių kitimo rūšių apribojimus yra gausūs ir nedviprasmiški, todėl nebėra aktyvus tyrimų objektas. Jei darysime prielaidą, kad kodonų sinoniminiai pakaitalai yra selektyviai neapriboti, tada nukleotidų polimorfizmas rūšies viduje bus toks pat sinoniminiams ir pakaitiniams pakaitalams tik tuo atveju, jei pakaitiniai pakeitimai taip pat yra selektyviai neutralūs. Tačiau didelis sekos duomenų kaupimas parodė, kad visada yra didelis aminorūgščių pakeitimo polimorfizmų trūkumas, palyginti su sinoniminiais variantais. Į Drosophila pseudoobscura tai gali svyruoti nuo visiško aminorūgščių polimorfizmų nebuvimo geno, kurio sinoniminis polimorfizmo dažnis yra 5 % [alkoholio dehidrogenazė (23)], iki maždaug 15 % aminorūgščių kitimo, kurio tikimasi iš sinoniminio greičio [ksantino dehidrogenazė], išsaugojimo. (21)]. Dauguma mutacijų, sukeliančių aminorūgščių pokyčius, yra žalingos. Neišspręstas galvosūkis yra tai, kaip atranka gali būti tokia diskriminacinė, kad alkoholio dehidrogenazės baltyme, kuriame yra daugiau nei 20% leucino, izoleucino ir valino, pašalinamos visos aminorūgštys. Ar tikrai gali būti, kad kiekvienas leucino-valino pakaitalas yra labai svarbus šio organizmo fiziologijai gamtoje, kai jis iš tikrųjų gali išgyventi bendromis laboratorinėmis kultivavimo sąlygomis, kai šios alkoholio dehidrogenazės genas yra visiškai inaktyvuotas?

Naudojant kontrastą tarp pastovių sinoniminių nukleotidų pozicijų ir pakeitimo pozicijų, taip pat galima paklausti, ar yra įrodymų, kad aminorūgščių pakaitalai tarp rūšių buvo nulemti atrankos. Juose naudojami statistiniai testai, pagrįsti įvadinėje dalyje aprašytu matematiniu aparatu, apimančiu duomenis apie sinoniminius ir pakaitinius pakaitalus rūšių viduje ir tarp jų. Jie buvo taikomi daugeliu atvejų, kai yra sekų populiacijos pavyzdžiai, o rezultatai skiriasi. Dėl genų Drosophila buvo padaryta išvada, kad tam tikri selektyviai skatinami aminorūgščių pakeitimai tarp rūšių, tačiau skirtingais atvejais buvo naudojami skirtingi statistiniai testai, ir gali būti tam tikras ataskaitų šališkumas, nes nepavyko rasti atrankos įrodymų yra mažiau įdomu. Nors kiekvienas genas yra atskiras atvejo tyrimas, skirtingai nei atliekant natūralų istorinį tyrimą, naudojant šiuolaikinius automatizuotus metodus galima nustatyti daugybę skirtingų genų sekų, kad būtų galima susidaryti bendrą vaizdą apie tai, kiek baltymų sekos evoliucijoje dalyvauja atranka. Dėl daugybės duomenų apie sekų skirtumus bus galima daryti genų ir rūšių apibendrinimus, panašius į tuos, kurie buvo padaryti praeityje apie genetinės įvairovės mastą, pagrįstą gelio elektroforeze ir DNR sekos nustatymu, ir stebėti skirtumų modelius. selektyviai pakeičiant skirtingos biologijos genų klases ir rūšis. Kol kas vienintelis tyrimas, kuriame naudojama ta pati teorinė procedūra daugeliui genų, yra Bustamante ir kt. (3), kuriame nustatyta, kad iš 34 Drosophila genų, 32 įvertino teigiamą pakeitimo atranką, iš kurių 10 buvo laikomi statistiškai reikšmingais, o tarp 12 Arabidopsis genų, 10 įvertino tam tikrą atranką prieš sėkmingus pakaitalus, iš kurių 6 buvo statistiškai reikšmingi. Autoriai šį skirtumą tarp organizmų priskiria mažesniam efektyviam populiacijos dydžiui Arabadopsis, kuris yra inbred. Teorinis klausimas, kurį dar reikia išspręsti, kol verta toliau siekti šios krypties, yra statistinių procedūrų, skirtų statiniams duomenims paversti dinaminėmis išvadomis, tinkamumas. Visuose iki šiol naudotuose bandymuose daromos prielaidos apie rekombinacijos tarp vietų kiekį, efektyvaus populiacijos dydžio pastovumą per rūšies evoliucijos istoriją, o svarbiausia, kad populiacijos yra stochastinės pastovios būsenos. Tai reiškia, kad jie daro prielaidą, kad išnyko visi pradinių sąlygų pėdsakai ir po rūšies išsiskyrimo nebuvo jokių rimtų populiacijos struktūros sutrikimų. Tačiau mes žinome, kad tikrosios populiacijos yra nuolat demografiškai trikdomos ir kad migracijos epizodai, naujų populiacijų atsiradimas ir gyventojų maišymasis yra įprastas gyventojų gyvenimo istorijos bruožas. Ypač ironiška, kad dvi rūšys Drosophila, D. melanogasteris ir D. simulanai, kurie yra žmonių komensalai Šiaurės Amerikoje, ir piktžolė, Arabidopsis, buvo pasirinktos taikant testus, kurie daro prielaidą, kad naujausios istorijos nereikšmingi. Kad galėtume būti tikri dėl šių atrankos tyrimų rezultatų, turime daug daugiau žinoti apie išvadinių metodų veikimo charakteristikas, kai nesilaikoma pastovios būsenos prielaidos.


Funkcijos gamybos inžinerija

Genotipai sukuria fenotipus per genų ekspresijos, augimo ir vystymosi procesus. Tačiau dėl šių procesų suvaržymų ir šališkumo 44 fenotipai nebūtinai pasiskirsto tolygiai visoje sekos erdvėje ir gali būti įmanomi ne visi įmanomi fenotipai. Be to, lygiai taip pat, kaip ir keli genotipai gali pasiekti tą patį fenotipą, identiškų genotipų ląstelių populiacija taip pat gali turėti daug skirtingų fenotipų dėl pagrindinių procesų stochastinės prigimties 45 arba dėl jų jautrumo aplinkos svyravimams (pvz., chaotiškumo). dinamika 46 ). Daugelis sistemų parodė panašias savybes savo atvaizdavimo nuo genotipo iki fenotipo struktūroje. Būtent perteklius (genotipų yra daug daugiau nei fenotipų) ir šališkumas (maža dalis fenotipų yra per daug). Tai buvo parodyta tiek modeliuojant 47, tiek eksperimentiškai naudojant RNR ir baltymų struktūras47 bei DNR surišimo vietas48. Tai, kaip šie principai taikomi sudėtingesnėms biosistemoms, yra didelis iššūkis dėl didžiulės genotipo erdvės. Nepaisant to, genotipo ir fenotipo atvaizdavime bus statistinė struktūra. Jei ši struktūra yra pakankamai gerai suprantama, ji gali pasiūlyti galingą evotipo inžinerijos būdą.

Sukurtos biosistemos turi fenotipinių bruožų, turinčių įtakos reprodukciniam tinkamumui, ir bruožų, turinčių įtakos „funkcijai“ – dizainerio nurodytam elgesiui ar savybėms (nors tai viena kitą nepaneigia). Todėl atvaizdavimo struktūra iš genotipo erdvės į funkcinę erdvę yra pagrindinė evotipo dalis. Funkcinė erdvė gali būti atskira arba ištisinė (1c pav.). Sudėtingose ​​sistemose, tokiose kaip biocheminiai tinklai, net nuolatinis parametrų kitimas evoliucijos metu gali sukelti identiškas funkcijas arba sukelti fazių pokyčius, kai atsiranda kokybiškai skirtingų funkcijų 49 . Sukurtos funkcijos gali būti tiesioginės matematinės funkcijos, fizinės savybės, tokios kaip spalva ar dydis, arba kelių savybių deriniai.

Bet kuri sukurta sistema turi tam tikrą „naudingumo“ laipsnį – tai, kiek sistema atlieka nurodytą funkciją. Vienintelis tradicinio inžinerinio projektavimo proceso tikslas yra maksimaliai padidinti projektavimo tipo naudingumą. Tačiau svarbi ir dizaino tipą supančio funkcinio kraštovaizdžio topologija. Jis gali būti tvirtas ir labai kintantis, o funkcija greitai keičiasi sekų erdvėje, arba ji gali būti lygi ir turėti didelius neutralius regionus, kuriuose funkcija mažai keičiasi arba išlieka pastovi. Nesvarbu, ar tikslas yra plėtoti naujas funkcijas, ar suderinti esamos funkcijos parametrus, šios savybės yra pagrindinis dizaino aspektas: koks yra funkcinis diapazonas, kurį turi apimti dizaino tipo evotipas? Ar skirtumai turėtų būti dideli, kad padidėtų evoliucija, ar riboti evoliuciniam stabilumui? Labiausiai tikėtina, kad funkcinis kraštovaizdis turėtų būti sklandus ir nuspėjamas, bet kaip tai geriausiai pasiekti? Kurių funkcinės erdvės sričių reikia vengti, o kurias galima toleruoti? Pavyzdžiui, gali prireikti kiek įmanoma sumažinti nesvarbias arba kenksmingas funkcijas atliekant diagnostinę programą, kai funkcijų erdvės regionai sukelia klaidingus neigiamus rezultatus, o regionai, sukeliantys klaidingus teigiamus rezultatus, gali būti toleruojami.

Dizainai gali turėti identišką funkcionalumą, tačiau jie užima funkcinės erdvės sritis su labai skirtingomis topologinėmis savybėmis. Jei sistema suprojektuota neatsižvelgiant į ją supantį funkcinį kraštovaizdį, tikėtinas rezultatas gali būti dizainas su nepageidaujamu evotipu. Sistemas su identiškais fenotipais, tačiau skirtingų funkcijų kraštovaizdžius pademonstravo Schaerli ir kt. 50 , kuris sukūrė dvi genetines grandines, kurios abi turi tą pačią juostelės generavimo funkciją. Buvo nustatyta, kad dėl naudojamų reguliavimo mechanizmų skirtumų kiekvienas iš jų mutavo skirtingą naujų fenotipų spektrą50. Mes tik pradedame suprasti, kas daro įtaką kartografavimo struktūrai nuo genotipo iki fenotipo. Tačiau yra keletas bendrų principų, kurie, atrodo, galioja įvairiose skalėse ir kontekstuose. Laimei, daugelis šių principų jau žinomi inžinerijai (3 lentelė).

Paplitę fenotipai

Sekos erdvėje labiau paplitę fenotipai gali būti ir tvirtesni (nes labiau tikėtina, kad jie yra genotipų tinkluose, turinčiuose tą patį fenotipą), ir labiau vystomi (nes tai leidžia plačiau ieškoti genotipo erdvės, didinant prieigą prie naujų fenotipų ) 23 . Todėl vyraujančių komponentų pasirinkimas gali padėti evoliuciniam stabilumui ir specifiniam vystymuisi. Pavyzdžiui, projektuojant baltymą, pasirinktas kodonas gali turėti įtakos vystymuisi: jei pasirenkama UAA, leucino liekanos 1 mutanto kaimynystėje leucino paplitimas yra mažesnis nei bet kurio kito kodono (atitinkamai du prieš keturis). Todėl UAA gali turėti mažesnį evoliucinį stabilumą, bet didesnį specifinį evoliuciją nei kiti kodonai (nes gali generuoti platesnį nepolinių aminorūgščių spektrą). Buvo pasiūlyta pakeisti patį genetinį kodą kaip būdas pakeisti jo vystymąsi51. Kiti fenotipinio paplitimo taikymo pavyzdžiai apima RNR arba baltymų struktūrų, kurios yra labai atstovaujamos sekos erdvėje 52,53, pasirinkimą. Įdomus klausimas, kaip fenotipinis sistemos dalių paplitimas yra susijęs su bendru fenotipu, palyginti su aukštesnės eilės savybėmis? Ar genetinės grandinės dalių tvirtumas arba tinklo topologija labiau lemia bendrą jos tvirtumą?

Perteklius

Atleidimas naudojamas klasikinėje inžinerijoje ir evoliucijoje. Jis gali suteikti daugiau tvirtumo leisdamas keisti sistemos dalis neprarandant bendro funkcijos ir gali padėti vystytis, leisdamas perteklinėms dalims mutuoti ir taip tyrinėti naujas funkcinės erdvės sritis. Tai matyti iš serijinės homologijos, kai pasikartojančios dalys, tokios kaip galūnės ar dantys, leidžia vystytis specializuotoms funkcijoms 54 , genų dubliavimuisi 55 ir be masto genetinių tinklų struktūroje, kur daugumą mazgų galima pašalinti nepakeičiant bendros funkcijos 56 . . Pažymėtina, kad perteklinės dalys gali būti to paties elemento pasikartojimai arba skirtingi elementai, galintys atlikti tą pačią funkciją (dažnai vadinami išsigimimu57).

Moduliškumas, reguliarumas ir hierarchija

Biosistemos organizacinės savybės turi didelę įtaką jos evotipui. Juos galima apibendrinti pagal moduliškumą, reguliarumą ir hierarchiją 58 . Moduliškumas – tai sistemos padalijimas į posistemes (modulius), kur kiekvienas turi aukštą vidinio ryšio laipsnį, tačiau mažai tarpusavyje susiję posistemiai. To pavyzdžiai gali būti matomi baltymų ir reguliavimo tinklų jungtyje, RNR struktūrose ir galūnių vystyme 59 . Taisyklingumas – tai raštų, pasikartojimų ir simetrijų naudojimas (pvz., serijinė homologija ir gyvūnų kūno planai). Hierarchija – tai rekursinis sistemos išdėstymas į posistemes (kurios pačios yra sudarytos iš posistemių ir pan.) 60 . Pavyzdžiui, organizmas susideda iš organų, kurie savo ruožtu susideda iš audinių, ląstelių ir tt Hierarchija matoma ir genų reguliavimo tinkluose. Pavyzdžiui, tik devyni baltymai reguliuoja pusę visų genų Escherichia coli 41 .

Šie principai yra skirtingi, bet dažnai veikia kartu. Pavyzdžiui, identiški moduliai dažnai kartojami reguliariais raštais, o moduliai yra išdėstyti hierarchine struktūra.Kiekvienas iš šių principų gali skatinti vystymąsi skirtingais būdais. Moduliškumas leidžia sistemos dalims mutuoti ir keisti funkcijas, sumažinant neigiamą poveikį likusiai sistemos daliai. Sintetiniai biologai dėjo pastangas pagerinti genetinių sistemų moduliškumą standartizuodami ir didindami dalių ortogonalumą. Taisyklingumas sumažina sistemai apibūdinti reikalingą informaciją (pvz., jos genotipą), iš esmės sumažinant paieškos erdvės dydį. Hierarchija leidžia laipsniškai didinti sistemos sudėtingumą iš apačios į viršų 60 . Nors plačiai paplitęs šių principų naudojimas tiek biologijoje, tiek technologijose aiškiai parodo jų svarbą, kaip ir kur šie principai turėtų būti taikomi, priklauso nuo konteksto. Tai galima iliustruoti įsivaizduojamu pavyzdžiu.

Apsvarstykite dvi biosensorių grandines, kurių kiekviena naudoja raudoną, žalią ir mėlyną (RGB) fluorescencinius baltymus, kad gautų baltą išvestį. A grandinėje bendras RGB išėjimas turi būti kuo didesnis, kai įvestis yra teigiama (pvz., reikalingas didelis jautrumas), signalo baltumas yra mažiau svarbus. B grandinėje svarbu, kad teigiamas signalas liktų tiksliai baltas (pvz., kitos spalvos atspindi kitas įvesties sąlygas), o bendras išvesties lygis būtų ne toks svarbus. A grandinei būtų naudingas modulinis RGB išdėstymas, nes bet kurio iš šių genų mutacija neturi įtakos kitiems dviems, todėl sumažėja poveikis bendrai produkcijai. Tačiau B grandinėje būtų geriau naudoti mažiau modulinį dizainą: nors mutacija turėtų trigubą poveikį bendrai išeičiai, visos spalvos būtų vienodai paveiktos, išsaugant bendrą atspalvį. Todėl projektavimo problemos pobūdis yra susijęs su tuo, kaip turėtų būti naudojamas moduliškumas. Tiesą sakant, Kashtan ir Alon 61 parodė, kad modulinės architektūros vystosi genų reguliavimo tinkluose, reaguodamos į modulinį aplinkos atrankos spaudimą, ir pačios pasirodo esąs labiau vystomos 61 . Panašūs ryšiai tarp hierarchijos ir reguliarumo turi būti susiję su projektavimo problema, be jokios abejonės, egzistuoja. Tačiau mes toli gražu neturime projektavimo principų jų taikymui, ypač sudėtingesnėms problemoms spręsti.

Aplinkos atsparumas

Principai, gerinantys atsparumą aplinkos pokyčiams ar triukšmui, taip pat gali pagerinti atsparumą genetiniams pokyčiams. Pavyzdžiui, jei genetinė grandinė yra atspari reguliuojančio baltymo koncentracijos triukšmui, ji taip pat gali būti atsparesnė mutacijoms, kurios keičia promotoriaus ekspresijos lygį62. Panašiai baltymai, kurie yra termodinamiškai stabilesni, taip pat gali būti labiau vystomi 63 . Sistemos gali būti apsaugotos nuo aplinkos ir genetinių trikdžių naudojant neigiamą grįžtamąjį ryšį 64, 65, 66 , derinamas genetines dalis 67 , griežtą kelių lygių reguliavimą 68 arba taikant kitus valdymo inžinerijos principus 69 .

Parametrų erdvės projektavimas

Sistemos parametrų erdvės struktūra vaidina didelį vaidmenį, kaip keičiasi funkcija dėl genetinės variacijos. Jei sistemos elgseną galima modeliuoti arba numanyti pagal pagrindinių parametrų kitimą, tai gali suteikti informacijos apie tai, kurios funkcijos gali būti pasiekiamos ir greičiausiai visoje sekos erdvėje. Pavyzdžiui, modeliuodami dviejų genetinių grandinių reguliavimo mechanizmus, Schaerli ir kt. 50 paaiškina, kodėl jie sukuria skirtingą funkcijų pasiskirstymą, kai yra veikiami taškinių mutacijų. Panašiai, naudojant paprastą matematinį pusiausvyros surišimo modelį, Mayo ir kt. 22 parodė, kad cis- reguliavimo regionas lac operonas in E. coli negali pasiekti kai kurių įvesties funkcijų per taškinę mutaciją. Parametrų erdvės yra analogiškos evoliucinės raidos biologijos morfoerdvėms, kurios apriboja organizmo formą70.

Kiti principai

Sistemai būdingi principai taip pat gali numatyti evotipo projektavimo taisykles. Pavyzdžiui, RNR genų reguliavimas gali būti mažiau vystomas nei transkripcijos reguliavimas 71, todėl gali nustatyti, ar reguliavimas taikomas transkripcijos ar transliacijos lygiu. Fiziniai ir cheminiai saviorganizacijos procesai netgi gali sumažinti funkcijos priklausomybę nuo genotipo. Galbūt vystymosi biologijos ir morfogenezės idėjas būtų galima perrašyti į inžinerinius terminus, pavyzdžiui, supaprastinto variacijos teorijos koncepcijas 72 , ypač kai bioinžinerija tampa daugialąsčiais organizmais. Metaheuristiniai projektavimo metodai taip pat neabejotinai taps vis galingesniu įrankiu: mašininio mokymosi metodai gali numatyti biologinių tinklų evoliuciją 73 , o genetiniai algoritmai buvo naudojami siekiant sukurti tvirtesnius genetinius tinklus in silico 74 .


Paraiškos klasei

Pristatant Hardy-Weinberg problemas klasėje, rekomenduojame pirmiausia arba kartu su algebriniu metodu įdiegti geometrinį metodą. Savo pamokose pradėjome pristatydami problemą ir lentoje nupiešdami 2 paveikslo variantą. Apibūdinome kiekvieno kintamojo biologinę reikšmę ir pabrėžėme, kad kiekvieno segmento ilgis kvadrato pusėje, p ir q, žymi populiacijos genų dažnius, o vidinių stačiakampių sritys – genotipo dažnius. Tada pavyzdinės problemos reikšmes pakeičiame kvadratu, pakoreguodami linijų atkarpų ilgį ir vidinių stačiakampių plotus, kad jie atitiktų. Tą pačią problemą taip pat išsprendėme naudodami įprastesnį algebrinį metodą. Tolesniuose pavyzdiniuose uždaviniuose kiekvieną metodą rodėme greta, nurodydami, kaip jie pasiekia tą patį tikslą.

Siekdami padėti mokyti geometrinio požiūrio, sukūrėme interaktyvias programėles (nuorodos žemiau), kurios siūlo internetinį manipuliavimą (pasiekiamas telefonais, planšetiniais ir nešiojamaisiais kompiuteriais), kad padėtų mokiniams suprasti, kaip keičiasi p ir q gali pakeisti genotipo dažnį populiacijoje. Mokant šias programėles galima būtų suprojektuoti ant ekrano, o ne piešti ant lentos. Mokiniai taip pat gali naudoti šias programėles tyrinėdami HWE arba savarankiškai spręsdami papildomas Hardy-Weinberg problemas.

Mes nustatėme, kad studentai, kurie buvo stipresni matematikos srityje, dažnai pirmenybę teikė algebriniam metodui spręsti HWE problemas, o studentai, kurie išreiškė nemėgimą arba baimę matematikai, pasirinko geometrinį metodą. (Turėjome pasakyti jiems, kad tai vis dar matematika ir jiems tai sekasi.) Mokiniai turėjo matematinės vertės, matę abu metodus ir, nors galbūt turėjo pirmenybę, suprato, kad šie metodai atspindi tą patį procesą. apėmė tas pačias skaitines reikšmes ir pasiekė tą patį tikslą. Bendruosiuose pagrindiniuose valstybės standartuose pabrėžiant studentų supratimą ir algoritmų pagrindimą, toks lankstus geometrinio ir algebrinio mąstymo supratimas yra neįkainojamas.


4. Diskusija

Evoliucinėje biologijoje, mašininio mokymosi, technologijų plėtros ir dirbtinio gyvenimo literatūroje evoliucinė išnaudojimą ir evoliucinis tyrinėjimas dažniausiai naudojami skirtingiems kombinezono aspektams atskirti optimizavimas dinamika, o evoliucinė išplėtimas, kaip mes jį apibrėžėme, pasitaiko retai.

Klasikiniame biologiniame pavyzdyje optimalus maitinimosi elgesys vertinamas kaip pusiausvyra tarp naujų maitinimosi vietų paieškos (tyrinėjimai) ir žinomų maitinimosi vietų panaudojimo (eksploatacija) [4]. Tokiu atveju maisto ieškantis gyvūnas optimizuoja savo jau turimas elgesio galimybes, kurios apima ir tyrinėjimą, ir eksploatavimą, neišplėsdamas savo vidinių komponentų ir sąveikų. Retais atvejais išnaudojimas gali tapti elgesio išplėtimu – pavyzdžiui, gyvūnų bendruomenė ar populiacija gali socialiai išmokti naujo maisto ieškojimo elgesio, kaip matyti iš ruonių ant mažų ledkalnių medžiojančių orkų kolektyvinio budėjimo būdu [2]. Kitas klasikinis tinkamos pusiausvyros tarp išnaudojimo ir tyrinėjimo optimizavimo pavyzdys yra organizacijos mokymasis [8]. Nuorodoje [8] nagrinėjama, kaip tyrinėjimas ir naudojimas gali kartu paveikti įmonių veiklą atsižvelgiant į jų požiūrį į technologines naujoves. Tačiau šiuo atveju nėra aiškaus skirtumo, ar priimta technologinė naujovė yra optimizavimo ar plėtros proceso dalis. Mašininio mokymosi (ML) atveju kompromisą tarp optimizavimo ir eksploatavimo galima apibrėžti tiksliau, kaip, pavyzdžiui, naudojant ML padedamą eksperimento optimizavimo projektą, skirtą baltymų ekspresijai be ląstelių, daugiau informacijos rasite [6]. Čia išnaudojimą galima apibrėžti kaip siūlomą naują kopimas į kalną eksperimentai, kurie yra nauji eksperimentai, kurie greičiausiai pagerina baltymų ekspresijos derlių, atsižvelgiant į tai, kas jau žinoma apie sistemą. Šiame ML nustatyme eksperimentinę erdvę iš anksto nustato daugybė eksperimentinių parametrų, pavyzdžiui, druskos sudėtis ir koncentracija, pH ir buferiai, taip pat fiksuotas cheminių ir biologinių komponentų rinkinys. Šios sistemos tyrinėjimą galima apibrėžti kaip siūlomus naujus eksperimentus, kuriais tikrinami mažiausiai žinomi eksperimentinės erdvės regionai, atsižvelgiant į tai, kas jau žinoma apie sistemą. Šie tiriamieji eksperimentai gali suteikti vertingos naujos informacijos apie nežinomus eksperimentinės erdvės parametrų regionus. Taigi, ML padedamas eksperimentų dizainas [6], įskaitant kopimą į kalną ir tiriamuosius eksperimentus, nurodo evoliucinį optimizavimo procesą ta prasme, kuria mes apibrėžiame sąvoką. Evoliucinis sistemos plėtimosi procesas, aptartas [6], reikštų eksperimentinės erdvės išplėtimą, pavyzdžiui, padidinus eksperimentinių parametrų skaičių.

Šiame straipsnyje mes siūlome ir empiriškai demonstruojame naują evoliucijos procesų kiekybinio apibūdinimo metodą, naudojant optimizavimo ansatz: Visi evoliuciniai procesai turi optimizavimo aspektą ir gali būti apibūdinti kaip lėtėjimo galios dėsniai, tinkami tinkamos laiko funkcijos. (t). Forma (t) savo ruožtu apibūdina evoliucinio plėtimosi aspektą, kuris egzistuoja kai kuriais atvejais, įskaitant neribotą evoliuciją.

Paprastiems optimizavimo procesams, pavyzdžiui, netvarkingos magnetinės medžiagos atpalaidavimui (sukinio stiklo) arba bakterinės monokultūros tinkamumo gerinimui,(t) yra proporcingas fiziniam laikui t ir biologinės kartos laikas g. Tokiais atvejais sukimosi stiklo mėginys yra pastovus, o bakterijų populiacijos dydis yra maždaug pastovus. Technologiniam optimizavimui natūralus nepriklausomas kintamasis (t) yra pagamintų vienetų skaičius, kuris, pasirodo, laikui bėgant eksponentiškai auga tiek fotovoltinės energijos, tiek tranzistorių tinklų skaičiavimo galios atžvilgiu. Šiais atvejais, (t) galima paaiškinti eksponentiškai besiplečiančia rinka, o tai yra išorinis šios technologijos poveikis. Aukščiau pateiktų optimizavimo pavyzdžių pagrindinė dinamika paaiškinama paprasta teorine sistema, pagrįsta rekordine dinamika. Taip pat pateikiamas iliustracinis modeliavimas.

Galiausiai nagrinėjame BVP vienam gyventojui kaip žmogaus tinkamumo rodiklį, tačiau trūksta mikroskopinės teorijos (t), naudojamas kituose pavyzdžiuose. Dėl ko BVP vienam gyventojui didėja kaip e P(t) , atitinkantis (t) ∼ e 1 α P t ⁠ , kur P(t) yra daugianario laike, o α yra mažas teigiamas parametras, todėl lieka nepaaiškinamas. Tačiau galime empiriškai pastebėti, kad žmogaus tinkamumas pagreitėja greičiau nei bet kurios konkrečios fizinės technologijos tinkamumas, net jei manome, kad visų technologijų rinkų visuma auga eksponentiškai, ir galime kiekybiškai išreikšti evoliucinę plėtrą. (t) neribotam evoliucijos procesui: žmogaus technologinė ir kultūrinė evoliucija. Sukurti mikroskopinę teoriją (t) yra aiškiai apibrėžtas atviras mokslinis iššūkis, kurio sprendimas gali atskleisti evoliucinio plėtimosi procesų pobūdį ir neribotą evoliuciją.


Kloninis paveldėjimas?

Plačiai manoma, kad mtDNR yra perduodama per motiną, taigi ir kloninė, gyvūnams (Birky 2001). Tėvo mtDNR pašalinama prieš (kaip ir vėžiuose, Moses 1961), jo metu (kaip Ascidia, Ursprung ir Schabtach 1965) arba po jo (kaip pelės, Sutovsky). ir kt. 1999) tręšimas (žr. Xu ir kt. 2005 m. peržiūrai ir White ir kt. 2008 m. dėl išimčių). Be to, mtDNR perdavimas moteriškoje gemalų linijoje pasižymi stipria kliūtimi, kuri sumažina individo įvairovę (Shoubridge & Wai 2007). Dėl šių dviejų poveikių (tėvo nutekėjimo nebuvimas ir gemalo linijos kliūtis) zigotoje gali atsirasti skirtingų mtDNR linijų, o tai trukdo veiksmingai rekombinacijai. Genetinių mainų nebuvimas buvo laikomas naudinga savybe, nes tai reiškia, kad mtDNR istorija gali būti tinkamai pavaizduota unikaliu medžiu, kuris atsektų motininių linijų kilmę ir geografinius judėjimus (Avise ir kt. 1987). Todėl visa filogeografijos sritis labai priklauso nuo kloninio mtDNR paveldėjimo prielaidos.

Klasikinės genetikos pagrindu pakankamai tvirtai patvirtinta kloniškumo prielaida buvo mažai abejojama iki 1999 m., kai trys beveik vienu metu paskelbti straipsniai staiga užginčijo žmonių dogmą. Eyre-Walker analizuoja 29 pilnus žmogaus mitochondrijų haplotipus ir kt. (1999) nustatė netikėtai didelį homoplazijos kiekį rūšyje (t. y. filogenetinį konfliktą tarp vietų), kuris, matyt, negali būti paaiškintas mutacijų taškais – homoplazinės vietos nebuvo itin kintančios tarp hominidų rūšių. Jie padarė išvadą, kad šios daugelis homoplazijų greičiausiai buvo rekombinacijos įvykių pasekmė. Naudodamas tuos pačius duomenis, Awadalla ir kt. (1999) pranešė apie neigiamą koreliaciją tarp ryšių pusiausvyros ir fizinio atstumo vietų poroms, dar kartą patvirtindami mintį, kad rekombinacija suardo alelines asociacijas tarp tolimų lokusų. Hagelbergas ir kt. (1999) galiausiai atrado mitochondrijų taškinę mutaciją, kurią dalijasi toli giminingi mtDNR haplotipai mažoje Melanezijos saloje, bet praktiškai niekur kitur pasaulyje. Teigdami, kad du nepriklausomi šios retos mutacijos įvykiai toje pačioje saloje yra mažai tikėtini, autoriai padarė išvadą, kad rekombinacija yra labiausiai tikėtinas paaiškinimas.

Šios įdomios ataskaitos apie žmones paskatino ieškoti mtDNR rekombinacijos atvejų įvairiose gyvūnų rūšyse. Sistemingos rūšies mtDNR duomenų, prieinamų iš viešųjų duomenų bazių, tyrimai atskleidė reikšmingą nukrypimą nuo kloniškumo prielaidos keliose rūšyse, įskaitant primatus (Piganeau). ir kt. 2004 m. Tsaousis ir kt. 2005). Tačiau autoriai atidžiai pastebėjo, kad dalis šių bioinformatiškai aptiktų atvejų gali atitikti artefaktus – pvz. in vitro rekombinacija ir paragino eksperimentinį patvirtinimą (Piganeau ir kt. 2004). MtDNR rekombinacijos populiacijos įrodymai buvo konkrečiai nurodyti midijoje (Ladoukakis ir Zouros 2001), drugelyje (Andolfatto). ir kt. 2003), skorpionai (Gantenbein ir kt. 2005), driežas (Ujvari ir kt. 2007) ir žuvis (Hoarau ir kt. 2002 Ciborowski ir kt. 2007), pagrįsta ryšių pusiausvyros / fizinio atstumo analize arba akivaizdžių rekombinantų tarp pakankamai tolimų tėvų haplotipų atradimu. Midijų atvejis buvo mažiausiai stebinantis, nes ši rūšis, kaip ir keletas kitų dvigeldžių (Breton ir kt. 2007), turi tėvo perduodamą mitochondrijų genomą, todėl visi vyrai yra heteroplazminiai. Pagaliau žmogaus pacientui buvo aptiktas tėvo nutekėjimo, po kurio įvyko rekombinacija, atvejis (Kraytsbergas ir kt. 2004 ).

Nors manoma, kad žydinčių augalų mitochondrijos, kaip ir chloroplastas, pirmiausia yra paveldimos iš motinos (Reboud & Zeyl 1994), diskutuojama ir apie rekombinacijos atsiradimą. Į Silene vulgaris, buvo aptikti naujausi rekombinacijos įvykiai genuose ir tarp jų bei tarp mitochondrijų ir chloroplastų (Houliston & Olson 2006), tačiau vėlesnės analizės metu jie nebuvo atkurti (Barr). ir kt. 2007). Didesniu evoliucijos mastu filogenetiniai konfliktai, susiję su mtDNR, patvirtina hipotezę apie pasikartojantį horizontalų mitochondrijų genų perdavimą gaubtasėklių istorijoje (Bergthorsson ir kt. 2003 ).

Nors kai kurie tikriausiai nusipelno patvirtinimo, šie atvejų tyrimai yra labai svarbūs molekulinės ekologijos sričiai. Jie įrodo, kad mitochondrijų rekombinacija yra įmanoma, ir ragina būti atsargiems kuriant ir interpretuojant rūšies viduje esančias mtDNR genealogijas (Hey 2000). Ironiška, bet dabar žinome, kad trys tyrimai su žmonėmis, paskatinę šią vaisingą mtDNR rekombinacijos paiešką, iš tikrųjų buvo abejotini. Salai būdingas modelis (Hagelberg ir kt. 1999) atsirado dėl lygiavimo klaidos (Hagelberg ir kt. 2000). Ryšio disbalanso ir fizinio nuotolio mažėjimas (Awadalla ir kt. 1999) buvo jautrus metodologiniams parametrams ir analizuojamam duomenų rinkiniui (Ingman ir kt. 2000 Innan ir Nordborg 2002 Piganeau ir Eyre-Walker 2004). Rūšinės homoplazijos perteklius (Eyre-Walker ir kt. 1999), galiausiai, greičiausiai buvo sukurtas dėl trumpalaikių, sunkiai aptinkamų mutacijų karštųjų taškų (Galtier ir kt. 2006 ).

Be anekdoto, iš šios įdomios diskusijos galima pasimokyti, kad mitochondrijų mutacijos proceso ypatumai gali sukurti į rekombinaciją panašius sekos variacijos modelius. Dėl šios priežasties ir dėl rekombinacijos aptikimo metodų galios trūkumo (White & Gemmell 2009), šiuo metu sunku įvertinti mitochondrijų rekombinacijos paplitimą tarp gyvūnų. Mūsų požiūris į dabartinę literatūrą rodo, kad didelę dalį rūšies mtDNR homoplazijos sukelia mutacijų karštieji taškai (Innan & Nordborg 2002 Galtier ir kt. 2006 m. toliau). Bet kokiu atveju stiprios homoplazijos buvimas rūšyje yra akivaizdi praktinė problema analizuojant mtDNR populiacijos duomenis, nesvarbu, ar ją sukelia tikroji rekombinacija, ar mutacijų sukeltos konvergencijos.


Paskelbė Karališkoji draugija pagal Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ sąlygas, kuri leidžia neribotai naudoti, jei nurodomas originalus autorius ir šaltinis.

Nuorodos

. 1977 Prokariotų srities filogenetinė struktūra: pirminės karalystės. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 74, 5088–5090. (doi:10.1073/pnas.74.11.5088) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1986 Biologijos problemos . Oksfordas, JK: Oxford University Press. Google Scholar

. 1979 Hiperciklas: natūralios saviorganizacijos principas . Berlynas, Vokietija: Springer. Crossref, Google Scholar

. 2006 m. Pažanga siekiant suprasti RNR pasaulio kilmę. Į RNR pasaulis (red

Gesteland RF, Cech TR, Atkins JF

), 23–56 p. Niujorkas, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. Google Scholar

. 2007 Keturiasdešimt metų in vitro evoliucija . Angew. Chem. Tarpt. Red. 46, 6420–6436. (doi:10.1002/anie.200701369) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mills DR, Peterson RL, Spiegelman S

. 1967 m. Ekstraląstelinis Darvino eksperimentas su savaime besidauginančia nukleorūgšties molekule. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 58, 217–224. (doi:10.1073/pnas.58.1.217) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1971 Metodas į eksperimentinę ikiląstelinės evoliucijos analizę. Q. Rev. Biophys . 4, 213–253. (doi:10.1017/S0033583500000639) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1990 In vitro specifinius ligandus jungiančių RNR molekulių atranka . Gamta 346, 818–822.(doi:10.1038/346818a0) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1990 m. Sisteminga ligandų evoliucija eksponentinio sodrinimo būdu: RNR ligandai į bakteriofago T4 DNR polimerazę. Mokslas 249, 505–510. (doi:10.1126/science.2200121) Crossref, PubMed, Google Scholar

Kruger K, Grabowski PJ, Zaug AJ, Sands J, Gottschling DE, Cech TR

. 1982 Savaime besijungianti RNR: ribosominės RNR įsiterpiančios Tetrahymena sekos autoekscizija ir autociklizacija. Ląstelė 31, 147–157. (doi:10.1016/0092-8674(82)90414-7) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Guerrier-Takada C, Gardiner K, Marsh T, Pace N, Altman S

. 1983 Ribonukleazės P RNR dalis yra fermento katalizinis subvienetas. Ląstelė 35, 849–857. (doi:10.1016/0092-8674(83)90117-4) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Szathmary E, Santos M, Fernando C

. 2005 Evoliucinis potencialas ir reikalavimai minimaliems protocellams. Į viršų. Curr. Chem . 259, 167–211. (doi:10.1007/tcc001) Crossref, Google Scholar

. 2012 Kas yra gyvenimas? Kaip chemija virsta biologija . Oksfordas, JK: Oxford University Press. Google Scholar

Pascalis R, Pross A, Sutherland JD

. 2013 m. Kinetika ir termodinamika pagrįstos evoliucinės gyvybės kilmės teorijos link. Atidarykite Biol. 3, 130156. (doi:10.1098/rsob.130156) Nuoroda, Google Scholar

. 2015 Stabilumas ir jo pasireiškimas cheminiame ir biologiniame pasauliuose. Chem. Komun. 51, 16 160–16 165. (doi: 10.1039/C5CC06260H) Crossref, Google Scholar

Vasas V, Szathmary E, Santos M

. 2010 Savarankiškai išsilaikančių autokatalizinių tinklų evoliucijos trūkumas riboja pirmuosius metabolizmo scenarijus dėl gyvybės atsiradimo. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 107, 1470–1475 m. (doi:10.1073/pnas.0912628107) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Vasas V, Fernando C, Santos M, Kauffman S, Szathmary E

. 2012 Evoliucija prieš genus. Biol. Tiesioginis 7, 1. (doi:10.1186/1745-6150-7-1) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2012 Nuo priešgyvenimo iki gyvenimo: kaip cheminė kinetika tampa evoliucine dinamika. Acc. Chem. Res. 45, 2088–2096. (doi:10.1021/ar2002683) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2002 Sistemų biologija: trumpa apžvalga . Mokslas 295, 1662–1664 m. (doi:10.1126/science.1069492) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2002 Skaičiavimo sistemų biologija . Gamta 420, 206–210. (doi:10.1038/nature01254) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2004 Molekulinės biologijos evoliucija į sistemų biologiją. Nat. Biotechnol . 22, 1249–1252. (doi:10.1038/nbt1020) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2001 Chemija: dinaminė kombinatorinė chemija . Mokslas 291, 2331–2332. (doi:10.1126/science.1060066) Crossref, PubMed, Google Scholar

Whitesides GM, Gryzbowski B

. 2002 Savarankiškas surinkimas visais masteliais . Mokslas 295, 2418–2421. (doi:10.1126/science.1070821) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Corbett PT, Leclaire J, Vial L, West KR, Wietor JL, Sanders JK, Otto S

. 2006 Dinaminė kombinatorinė chemija . Chem. Rev . 106, 3652–3711. (doi:10.1021/cr020452p) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2006 Mikrofluidikos ištakos ir ateitis . Gamta 442, 368–373. (doi:10.1038/nature05058) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2008 Sistemų chemija . Chem. Soc. Rev . 37, 101–108. (doi: 10.1039 / B611921M) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2015 Supramolekulinių sistemų chemija . Nat. Nanotech . 10, 111–119. (doi:10.1038/nnano.2014.337) Crossref, PubMed, Google Scholar

Ruiz-Mirazo K, Briones C, de la Escosura A

. 2014 m. Prebiotinių sistemų chemija: naujos gyvenimo kilmės perspektyvos. Chem. Rev. 114, 285–366. (doi:10.1021/cr2004844) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

de la Escosura A, Briones C, Ruiz-Mirazo K

. 2015 Sistemų perspektyva chemijos ir biologijos kryžkelėje. J. Theor. Biol. 381, 11–22. (doi:10.1016/j.jtbi.2015.04.036) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2016 Gyvybės kilmė – netikėtai. Angew. Chem. Tarpt. Red. 55, 104–121. (doi:10.1002/anie.201506585) Crossref, PubMed, Google Scholar

Sadownik JW, Mattia E, Nowak P, Otto S

. 2016 Savaime besidauginančių molekulių diversifikavimas . Nat. Chem. 8, 264–269. (doi:10.1038/nchem.2419) Crossref, PubMed, Google Scholar

Ruiz-Mirazo K, Peretó J, Moreno A

. 2010 Gyvenimo apibrėžimas arba biologijos atgaivinimas . Orig. Gyvenimas Evol. Biosph. 40, 203–213. (doi:10.1007/s11084-010-9201-6) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2016 Apmąstymai apie gyvybės kilmę: daugiau nei evoliucinė problema. Mètode 6, 151–159. Google Scholar

. 1987 Evoliucija, termodinamika ir informacija. Darvino programos išplėtimas . Oksfordas, JK: Oxford University Press. Google Scholar

. 2009 Funkcinės įvairovės atsiradimo problema prebiotikų evoliucijoje. Biol. Filosas. 24, 585–605. (doi:10.1007/s10539-009-9178-6) Crossref, Google Scholar

. 2015 Darvino inžinieriaus atspindžiai. J. Mol. Evol . 81, 145–149. (doi:10.1007/s00239-015-9724-6) Crossref, Google Scholar

Segre D, Ben-Eli D, Lancet D

. 2000 Sudėtiniai genomai: prebiotinės informacijos perdavimas abipusiai kataliziniuose nekovalentiniuose mazguose. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 97, 4112–4117. (doi:10.1073/pnas.97.8.4112) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2007 Gyvybės kilmės chemijos paieškos. Tetraedras 63, 12 821–12 844. (doi:10.1016/j.tet.2007.10.012) Crossref, Google Scholar

. 2011 Optimalus gyvybės kilmės fizinio ir cheminio nevienalytiškumo laipsnis? Phil. Trans. R. Soc. B 366, 2894–2901. (doi:10.1098/rstb.2011.0140) Nuoroda, Google Scholar

Adamala KP, Engelhart AE, Szostak JW

. 2016 m. Bendradarbiavimas tarp primityvių ląstelių membranų ir tirpių katalizatorių. Nat. Komun. 7, 11041. (doi:10.1038/ncomms11041) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1986 Gyvybės kilmė: RNR pasaulis. Gamta 319, 618. (doi:10.1038/319618a0) Crossref, ISI, Google Scholar

Savininkas MW, Gerland B, Sutherland JD

. 2009 Aktyvuotų pirimidino nukleotidų sintezė prebiotiškai tikėtinomis sąlygomis. Gamta 459, 239–242. (doi:10.1038/nature08013) Crossref, PubMed, Google Scholar

Patel BH, Percivalle C, Ritson DJ, Duffy CD, Sutherland JD

. 2015 Bendra RNR, baltymų ir lipidų pirmtakų kilmė cianosulfidiniame protometabolizme. Nat. Chem. 7, 301–307. (doi:10.1038/nchem.2202) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hud NV, Cafferty BJ, Krishnamurthy R, Williams LD

. 2013 RNR ir „mano senelio kirvio“ kilmė. Chem. Biol. 20, 466–474. (doi:10.1016/j.chembiol.2013.03.012) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mutschleris H, Wochneris A, Holligeris P

. 2015 m. užšaldymo ir atšildymo ciklai kaip sudėtingo ribozimo surinkimo varikliai. Nat. Chem. 7, 502–508. (doi:10.1038/nchem.2251) Crossref, PubMed, Google Scholar

Briones C, Stich M, Manrubia SC

. 2009 RNR pasaulio aušra: link funkcinio sudėtingumo per atsitiktinių RNR oligomerų perrišimą. RNR 15, 743–749. (doi:10.1261/rna.1488609) Crossref, PubMed, Google Scholar

Briones C, Stich M, Manrubia SC

. 2010 M. RNR modulinės evoliucijos modelis, sprendžiantis atvirus gyvybės kilmės klausimus. Orig. Gyvenimas Evol. Biosph . 40, 427–430. Google Scholar

Pressman A, Blanco C, Chen IA

. 2015 RNR pasaulis kaip pavyzdinė sistema gyvybės kilmei tirti. Curr. Biol . 25, R953–R963. (doi:10.1016/j.cub.2015.06.016) Crossref, PubMed, Google Scholar

Vaidya N, Manapat ML, Chen IA, Xulvi-Brunet R, Hayden EJ, Lehman N

. 2012 Spontaniškas tinklo susidarymas tarp kooperuojančių RNR replikatorių. Gamta 491, 72–77. (doi:10.1038/nature11549) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2015 RNR pasaulis: molekulinis bendradarbiavimas gyvybės ištakose. Nat. Kunigas Genet. 16, 7–17. (doi:10.1038/nrg3841) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1968 Energijos srautas biologijoje . Niujorkas, NY: Academic Press. Google Scholar

. 1985 Gyvybės ištakos . Kembridžas, JK: Cambridge University Press. Google Scholar

. 1986 Autokataliziniai baltymų rinkiniai. J. Theor. Biol . 119, 1–24. (doi:10.1016/S0022-5193(86)80047-9) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2006 Mažų molekulių sąveika buvo pagrindinė gyvybės atsiradimo priežastis. Q. Rev. Biol. 81, 5–125. (doi:10.1086/506024) Crossref, Google Scholar

Hordijk W, Kauffman SA, Steel M

. 2011 Reikalingi katalizės lygiai autokatalitinių rinkinių atsiradimui cheminių reakcijų sistemų modeliuose. Tarpt. J. Mol. Sci. 12, 3085–3101. (doi:10.3390/ijms12053085) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Dadon Z, Wagner N, Ashkenasy G

. 2008 Kelias į nefermentinius molekulinius tinklus . Angew. Chem. Tarpt. Red. 47, 6128–6136. (doi:10.1002/anie.200702552) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2000 Savaime besiorganizuojantys biocheminiai ciklai . Proc. Natl Akad. Sci. JAV 97, 12 503–12 507. (doi: 10.1073/pnas.220406697) Crossref, Google Scholar

. 2008 Metabolinių ciklų netikrumas prebiotinėje Žemėje. PLoS Biol . 6, e18. (doi:10.1371/journal.pbio.0060018) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Kurihara K, Tamura M, Shohda K-I, Toyota T, Suzuki K, Sugawara T

. 2011 Savaiminis supramolekulinių milžiniškų pūslelių dauginimasis kartu su kapsuliuotos DNR amplifikacija. Nat. Chem. 3, 775–781. (doi:10.1038/nchem.1127) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2013 Neenziminė šablono nukreipta RNR sintezė modelio protoląstelėse. Mokslas 342, 1098–1100. (doi:10.1126/science.1241888) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1986 Savaime besidauginantis heksadeoksinukleotidas. Angew. Chem. Tarpt. Red. 25, 932–935. (doi:10.1002/anie.198609322) Crossref, Google Scholar

. 2002 Savaime besidauginantis ligazės ribozimas. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 99, 12 733–12 740. (doi: 10.1073/pnas.202471099) Crossref, Google Scholar

Lee DH, Severin K, Yokobayashi Y, Ghadiri MR

. 1997 Simbiozės atsiradimas peptidų savireplikacijoje per hiperciklinį tinklą. Gamta 390, 591–594. (doi:10.1038/37569) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2006 Sukurta ir įdiegta labai selektyvi minimali savaime pasikartojanti sistema. Angew. Chem. Tarpt. Red. 45, 6492–6496. (doi:10.1002/ange.200601845) Crossref, Google Scholar

Carnall JMA, Waudby CA, Belenguer AM, Stuart MCA, Peyralans JJP, Otto S

. 2010 Mechaniškai jautri savireplikacija, skatinama saviorganizacijos . Mokslas 327, 1502–1506. (doi:10.1126/science.1182767) Crossref, PubMed, Google Scholar

Chen IA, Roberts RW, Szostak JW

. 2004 m. Konkurencijos atsiradimas tarp modelio protocelių. Mokslas 305, 1474–1476. (doi:10.1126/science.1100757) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Mansy SS, Schrum JP, Krishnamurthy M, Tobe S, Treco DA, Szostak JW

. 2008 Šablonu nukreipta genetinio polimero sintezė modelio protoląstelėje. Gamta 454, 122–125. (doi:10.1038/nature07018) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2011 Fiziniai poveikiai, kuriais grindžiamas perėjimas nuo primityvių prie modernių ląstelių membranų. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 108, 5249–5254. (doi:10.1073/pnas.1100498108) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mossio M, Saborido C, Moreno A

. 2009 Biologinių funkcijų organizacinė ataskaita . Br. J. Filosas. Sci. 60, 813–841. (doi:10.1093/bjps/axp036) Crossref, ISI, Google Scholar

Mossio M, Saborido C, Moreno A

. 2010 Organizacijų uždarymas biologiniuose organizmuose . Ist. Filosas. Gyvenimas Sci. 32, 269–288. PubMed, Google Scholar

. 2015 m. sinergistinis pasirinkimas: darvinistinis sudėtingumo evoliucijos pagrindas. J. Theor. Biol. 371, 45–58. (doi:10.1016/j.jtbi.2015.02.002) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2004 Pagrindinė autonomija kaip esminis gyvenimo sintezės aspektas. Art. Gyvenimas 10, 253–259. (doi: 10.1162/1064546041255584) „Google Scholar“

. 2012 Autonomija evoliucijoje: nuo minimalaus iki sudėtingo gyvenimo. Sintezė 185, 21–52. (doi:10.1007/s11229-011-9874-z) Crossref, Google Scholar

. 2007 metų komentaras. Orig. Gyvenimas Evol. Biosph . 37, 309–314. (doi:10.1007/s11084-007-9102-5) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2007 Pagrindinis klausimas apie gyvybės kilmę. Orig. Gyvenimas Evol. Biosph . 37, 303–306. (doi:10.1007/s11084-007-9104-3) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2012 Skystųjų kristalų nanostruktūros: nefermentinės nukleorūgščių polimerizacijos matricų organizavimas. Chem. Soc. Rev. 41, 5375–5379. (doi:10.1039/c2cs35042d) Crossref, PubMed, Google Scholar

Murillo-Sánchez S, Beaufils D, Mañas JMG, Pascal R, Ruiz-Mirazo K

. 2016 Dvigubas riebalų rūgščių vaidmuo formuojant prebiotinį hidrofobinį dipeptidą. Chem. Sci. 7, 3406–3413. (doi:10.1039/C5SC04796J) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1952 Cheminis morfogenezės pagrindas. Phil. Trans. R. Soc. B 237, 37–72. (doi:10.1098/rstb.1952.0012) Nuoroda, ISI, „Google Scholar“

. 2001 Ląstelės kelias . Niujorkas, NY: Oxford University Press. Google Scholar

. 2006 Gyvybės atsiradimas . Kembridžas, JK: Cambridge University Press. Crossref, Google Scholar

Segre D, Ben-Eli D, Deamer DW, Lancet D

. 2001 Lipidų pasaulis. Orig. Gyvenimas Evol. Biosph . 31, 119–145. (doi:10.1023/A:1006746807104) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Szostak JW, Bartel DP, Luisi PL

. 2001 Gyvenimo sintezė . Gamta 409, 387–390. (doi:10.1038/35053176) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Gotoh M, Sugawara A, Akiyoshi K, Matsumoto I, Ourisson G, Nakatani Y

. 2007 Galima molekulinė biomembranų evoliucija: nuo vienos grandinės iki dvigubos grandinės lipidų. Chem. Biologiniai narai . 4, 837–848. (doi:10.1002/cbdv.200790071) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2004 Prebiotinė chemija ir RNR pasaulio kilmė. Krit. Biochem. kun. Mol. Biol . 39, 99–123. (doi:10.1080/10409230490460765) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Leman LJ, Orgel LE, Ghadiri MR

. 2006 Nuo aminorūgščių priklausomas fosfato anhidridų susidarymas vandenyje, tarpininkaujant karbonilo sulfidui. J. Am. Chem. Soc . 128, 20–21. (doi:10.1021/ja056036e) Crossref, PubMed, Google Scholar

Danger G, Michaut A, Bucchi M, Boiteau L, Canal J, Plasson R, Pascal R

. 2013 5(4H)-oksazolonai kaip tarpiniai produktai karbodiimido ir cianamido skatinamoje peptidų aktyvacijoje vandeniniame tirpale . Angew. Chem. Tarpt. Red. 52, 611–614. (doi:10.1002/anie.201207730) Crossref, PubMed, Google Scholar

Jauker M, Griesser H, Richert C

. 2015 m. RNR sekų kopijavimas be išankstinio aktyvinimo . Angew. Chem. Tarpt. Red. 54, 14 559–14 563. (doi: 10.1002/anie.201506592) Crossref, Google Scholar

. 2004 Membranos augimas gali sukelti ir transmembraninį pH gradientą riebalų rūgščių pūslelėse. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 101, 7965–7970. (doi:10.1073/pnas.0308045101) Crossref, PubMed, Google Scholar

Liu ZW, Beaufils D, Rossi JC, Pascal R

. 2014 Fosfato esterio mišrių anhidridų su aminorūgštimis ir peptidais hidrolizės intramolekulinių takų evoliucinė svarba. Sci. Rep. 4, 7440. (doi:10.1038/srep07440) Crossref, PubMed, Google Scholar

Jauker M, Griesser H, Richert C

. 2015 Spontaniškas RNR grandinių, peptidilo RNR ir kofaktorių susidarymas. Angew. Chem. Tarpt. Red. 54, 14 564–14 569. (doi: 10.1002/anie.201506593) Crossref, Google Scholar

. 2009 Modelinių protoląstelių membranų susietas augimas ir dalijimasis. J. Am. Chem. Soc. 131, 5705–5713. (doi:10.1021/ja900919c) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2013 m. Konkurencija tarp modelio protoelementų, varomų kapsuliuotu katalizatoriumi. Nat. Chem. 5, 495–501. (doi:10.1038/nchem.1650) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2011 Protocell . Į Astrobiologijos enciklopedija (red

Gargaud M, Amilis R, Cernicharo J Quintanilla, Cleaves HJ, Irvine WM, Pinti D, Viso M

), 1353–1354 p. Heidelbergas, Vokietija: Springeris. Crossref, Google Scholar

. 2002 Apie ankstyvą evoliucinę biologinio periodiškumo kilmę. Ląstelė. Biol. Tarpt . 26, 729–735. (doi:10.1006/cbir.2000.0668) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2003 Gyvenimo principai . Oksfordas, JK: Oxford University Press. Crossref, Google Scholar

Marškiniai-Ediss B, Solé RV, Ruiz-Mirazo K

. 2015 m. Naujas cheminis elgesys kintamo tūrio protocelėse . Gyvenimas 5, 181–211. (doi:10.3390/life5010181) Crossref, PubMed, Google Scholar

Bich L, Mossio M, Ruiz-Mirazo K, Moreno A

. 2016 Biologinis reguliavimas: sistemos valdymas iš vidaus . Biol. Filosas. 31, 237–265. (doi:10.1007/s10539-015-9497-8) Crossref, ISI, Google Scholar

. 2013 Gyvybės kilmė: ką mes žinome, ką galime žinoti ir ko niekada nesužinosime. Atidarykite Biol. 3, 120190. (doi:10.1098/rsob.120190) Nuoroda, Google Scholar

. 2017 „Gyvybės kilmės – pradžios pabaigos“ tyrimai. Nat. Chem. 1, 0012. (doi:10.1038/s41570-016-0012) Crossref, Google Scholar

Solé RV, Munteanu A, Rodríguez-Caso C, Macía J

. 2007 Sintetinė protoląstelių biologija: nuo reprodukcijos iki skaičiavimo. Phil. Trans. R. Soc. B 362, 1727–1739 m. (doi:10.1098/rstb.2007.2065) Nuoroda, Google Scholar