Основные тенденции и вариабельность эволюции ревматоидного артрита: результаты многолетнего наблюдения | Каратеев

1. <div><p>Астапенко М.Г. Ревматоидный артрит. В кн.: Насонова В.А., Астапенко М.Г. Клиническая ревматология. Рук. для врачей АМН СССР, М., Медицина, 1989, 253-311</p><p>Балабанова P.M. Ревматоидный артрит с системными проявлениями (клиника, лечение, прогноз), Дисс. д.м.н., М., 1990, 238 с</p><p>Барнс К.Г. Ревматоидный артрит В кн.: Клиническая ревматология. Пер. с англ. Под ред. Х.Л.Ф.Каррся. М., Медицина, 1990, 53 — S5</p><p>Каратеев Д.Е. Комплексная оценка тяжести состояния больного ревматоидным артритом и ее значение для прогноза болезни Автореф. дисс. к.м.н., М., 1995, 24 с.</p><p>Крель А.А. Чичасова Н.В., Каневская М.З. с соавт. Длительное проспективное изучение клинических вариантов РА с использованием многомерною статистического анализа.Тер. ирхчв, 1984, 5. 68 — 75</p><p>Насоноп Е.Л., Чичасова Н.В. Имаметдинова Г.Р. Мс годы оценки поражения суставов, активности заболевания и функционального состояния больных ревматоидным артритом Метод пособие для врачей, М , 2001, 32 с.-</p><p>Насонов Е.Л. Фармакотерапия ревматоидного артрита с позиций доказательной медицины: новые рекомендации. Русс. мед. журнал, 2002, 10, 6, 294-302</p><p>Насонова В.А. Ревматоидный артрит с системными проявлениями — диагноз и прогноз. Тер. архив, 1983. 55, 7,3-0</p><p>Нестеров А.И., Крикунов В.П. Тупиким Г.В. с соавт. Характеристика основных клинико-патогенетических вариантов индукционного неспецифического (ревматоидного) полиартрита , Вопр. ревматизма. 1977, I, 3-6</p><p>Пяй Л.Т. Проблема цикличности течения ревматоидного артрита в свете долгосрочных клинико-амбулп- торных наблюдений Тер. архив, 1982. Ь, 27-24</p><p>Чичасова Н.В. Ревматоидный артрит: клинико-лаборм- торные и клинико-морфологические сопоставления,прогноз.

Дисс. д.м.н., М., 2000, 303 с.</p><p>Brennan P., Harrison В., Barrett E.et al. A simple algorithm to predict the development of radiological erosions in patients with early rheumatoid disease: prospective cohort study. Br. Med. j., 1996, 313, 471-476</p><p>Eberhardt K.B., Fex E. Clinical course and remission rate in patients with early rheumatoid arthritis: relationship to outcome after 5 vears. Brit. J. Rheumatol., 1998, 37, 12, 1324-1329</p><p>Gordon P, West J, Jones H, Gibson T. A 10 year prospective followup of patients with rheumatoid arthritis 1986-96. J. Rheumatol., 2001, 28, II. 2409-2415</p><p>Fuchs H.A., Callahan L.F., Kaye JJ.et al. Radiographic and joint count findings’of the hand in rheumatoid arthritis Related and unrelated findings Arthr. Rheum., 1988, 31, 1,44-51.</p><p>Kushner I. Does aggressive therapy of rheumatoid arthritis jffect outcome? J Rheumatol., 1989. 16, 1,1-4</p><p>Larsen A. A radiological method for grading the severity of rheumatoid arthritis. Scand. J. Rheumatol., 1975,</p><p>4, 225 — 233 IS Mnii A.T. Feigenbaum S.L., Kaplan S.В Articular patterns in the early course of rheumatoid arthritis Am. J. Med., 1983, 75 (suppl. 6A) , 16-26</p><p>Mulherin D. Fitzgerald О. Bresnih&amp;n B. Clinical improvement and radiological deterioration in rheumatoid arthritis: evidence that the pathogenesis of synovial inllammation and articular erosion may differ Brit. J. Rheumatol. 1996. 35, 12. 1263-1268</p><p>Pincus Т., Callahan L.F. What is the natural history of rheumatoid arthritis? Rheum Dis. Clin. North Am., 1993, 19. I. 123-151</p><p>Skoumal М. Wottawa A. Long-term observation study ol Austrian patients with rheumatoid arthritis Acta Medica Austriaca, 2002, 29, 2, 52-56 22, Wolfe F, A reappraisal of HAQ disability in rneumatoid arthritis Arthr. Rheum., 2000, 43, 12, 2751-2761.</p></div><br />

Methodology for studying the «Struggle for existence» topic within the university course «Theory of Evolution» | Lamekhova

Развитие совокупности знаний о живой природе проявилось в формировании наук частного и общего характера. Первичным вариантом научных сведений были науки частного характера, на основании которых появились общебиологические открытия и обобщения. Накопление сведений о видовом разнообразии растений и животных обусловило необходимость их систематизации и создание вариантов иерархии таксонов. Реализация названной задачи привела к осознанию необходимости ответа на вопросы: о реальности эволюционного процесса, причинах эволюции и направлении развития живых организмов. Первые попытки ответить на сформулированные вопросы реализованы в виде эволюционных идей. Позднее появилось эволюционное учение и теории эволюции органического мира. Достижение уровня создания теории, объясняющей характер эволюционного процесса, выражается в открытии материальных причин эволюции, описании ее закономерностей и результатов на микро- и макроэволюционном уровнях.

История эволюционных идей, в том числе характеристика достижений биологии, связанных с открытием причин эволюции, излагается в ряде источников [1–5]. Изучение информации об истории развития и формирования эволюционных представлений в такой учебной дисциплине, как «Теория эволюции», позволяет студентам осознать, что открытие факторов эволюции органического мира является одним из выдающихся достижений развития биологии.

К числу материальных факторов эволюции, открытых Ч. Дарвином еще в XIX веке, относятся наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. В XX веке научные знания о причинах эволюционного процесса расширились, и с позиций современной синтетической теории эволюции (СТЭ) признается выделение следующих факторов эволюции: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, миграции, дрейф генов, борьба за существование и естественный отбор [6–9]. В итоге факторы эволюции, открытые Ч. Дарвином, признаются и в СТЭ, которая сформировалась благодаря синтезу дарвинизма, генетики и экологии.

Несмотря на синтетический характер современного подхода к описанию закономерностей и факторов эволюционного процесса, отношение биологов к причинам эволюции неоднозначное. Термин Ч. Дарвина «борьба за существование», как никакой другой, вызывал и вызывает нарекания и возражения. Однако современный уровень развития учения о борьбе за существование, связанный с достижениями в области экологии и эволюционной биологии, не оставляет никакой возможности для отказа от этого термина, обозначающего один из факторов эволюции [9].

Изучение роли борьбы за существование в процессе адаптивных преобразований биологических систем, является важным по следующим причинам:

– борьба за существование относится к варианту универсальных взаимоотношений, которые проявляются в экосистемах;

– борьба за существование включает все формы биотических, абиотических и антропогенных факторов;

– причиной борьбы за существование является приспособленность биологических систем к условиям окружающей среды, а следствием – проявление действия естественного отбора;

– изучение форм борьбы за существование играет определенное теоретическое и практическое значение.

В литературе описаны методики изучения некоторых тем из дисциплины «Теория эволюции»: «Направление эволюции органического мира» [10], «Популяция» [11], а также отбор содержания и методика изучения темы «Естественный отбор» [12].

Целью нашей статьи является описание методики изучения темы «Борьба за существование» при изучении дисциплины «Теория эволюции» в высшей школе.

Разработанный нами вариант методики изучения данной темы включает: содержание элементов программы дисциплины, перечень вопросов для изучения, рекомендации для проведения лабораторных занятий и самостоятельных наблюдений в природе.

Нами предлагается следующий вариант содержания элементов программы курса:

Общая характеристика борьбы за существования как процесса взаимодействия организмов и среды обитания. Определение борьбы за существование Ч. Дарвина. Определение борьбы за существование с позиций СТЭ. Метафорический характер термина «борьба за существование». Причина борьбы за существование по Ч.

Дарвину и с позиций СТЭ. Следствия проявления борьбы за существование: элиминация и естественный отбор.

Элиминация. Формы и способы элиминации организмов и их совокупностей. Способы элиминации: физическая гибель и устранение от размножения. Формы элиминации: сезонная, возрастная, индивидуальная, семейная, групповая, неизбирательная. Значение элиминации в эволюционном процессе. Адаптации организмов и совокупностей организмов, уменьшающие вероятность проявления форм элиминации.

Формы борьбы за существование. Формы борьбы за существование, описанные Ч. Дарвином: внутривидовая, межвидовая, борьба с условиями неорганической природы. Современные представления о формах борьбы за существование. Внутривидовая борьба за существование: индивидуальные и групповые варианты взаимодействия организмов со средой обитания. Межвидовая борьба за существование: причины, следствия и роль в эволюционном процессе.

Практическое использование знаний о проявлении форм борьбы за существование. Основные области применения сведений о характере и результатах взаимодействия организмов и среды обитания.

Характеристика борьбы как фактора эволюции связана с признанием положения о том, что этот фактор является процессом взаимодействия организмов со средой обитания. На таком варианте определения борьбы за существование настаивал Ч. Дарвин. И.И. Шмальгаузен, признавая самостоятельность борьбы за существование в качестве причины эволюции, предложил следующий вариант определения борьбы за существование: это процесс взаимодействия каждой особи с окружающей средой, в том числе с другими особями популяции [6; 13; 14]. Сравнивая признанные варианты определений борьбы за существование, можно прийти к выводу о том, что в основе определений лежит признание эволюционной роли борьбы за существование, при этом учитывается взаимодействие организма или организмов с другими особями популяции.

При описании борьбы за существование важно обсудить ответы на следующие вопросы:

– Почему термин «борьба за существование» носит метафорический характер?

– Что является общей причиной борьбы за существование?

– Какие частные причины приводят к проявлению борьбы за существование?

– Почему борьба за существование является самостоятельным фактором эволюции?

Приведем с пояснениями варианты проведения некоторых занятий при изучении борьбы за существование в вузовском курсе.

Общая характеристика борьбы за существование может быть проиллюстрирована примерами взаимодействия растений и животных со средой обитания. В качестве наглядного материала можно использовать коллекционный материал, например фабричный вариант коллекции «Вредители сельскохозяйственных растений».

Работа № 1. Тема: Примеры проявления борьбы за существование.

Рекомендации по выполнению работы:

  1. Используя учебную литературу по теории эволюции [6; 13; 14], познакомьтесь с определениями борьбы за существование.
  2. Назовите результаты, к которым приводит взаимодействие организмов и среды обитания.
  3. Используя коллекцию «Вредители сельскохозяйственных растений», приведите 4–5 примеров проявления борьбы за существование, заполнив таблицу (табл. 1).

 

Таблица 1 – Примеры проявления борьбы за существование

№ п/п

Взаимодействующие виды

Характер и результаты взаимодействия

1

Яблоня домашняя, яблонная плодожорка

Гусеница яблонной плодожорки повреждает плоды яблони

2

Лук репчатый, луковая журчалка

Личинка луковой журчалки повреждает листья лука

3

Медведка, морковь посевная

Взрослое насекомое питается корнеплодами моркови

4

Белянка капустная, капуста огородная

Личинка белянки капустной повреждает листья капусты огородной

 

Проявление борьбы за существование необходимо продемонстрировать на растительных и животных объектах, а также с учетом взаимодействия организмов с абиотическим факторами среды обитания.

Заполнив таблицу, письменно ответьте на вопросы:

Вопрос 1. Какие причины приводят к тому, что организмы вступают в борьбу за существование?

Вопрос 2. К каким результатам приводит проявление борьбы за существование?

Ч. Дарвин, описывая борьбу за существование, подчеркивал, что названный фактор эволюции приводит к такому следствию, как естественный отбор [15]. С позиций СТЭ признается положение о том, что к результатам борьбы за существование относятся естественный отбор и элиминация [6–9].

Изучение борьбы за существование и описание роли этого фактора в эволюции должно сопровождаться характеристикой способов и форм элиминации. На этом этапе работы студентам рекомендуется литература, включающая информацию о биологическом разнообразии региона [16–18], а также научные публикации о групповых поселениях животных, в которых осуществляются индивидуальные и групповые формы элиминации [19; 20].

При изучении элиминации проводится заполнение таблиц как с использованием рекомендованной литературы, так и примеров, которые приводят сами студенты с опорой на знания, полученные при изучении наук биологического цикла.

Работа № 2. Тема: Причины элиминации.

Рекомендации по выполнению работы:

  1. Используя рекомендованную литературу [6–9], повторите материал о формах элиминации.
  2. Работая с текстом учебных пособий, выясните, какие явления природы могут приводить к элиминации. Приведите примеры причин элиминации.
  3. Заполните таблицу (табл. 2) по описанию форм, примеров и причин элиминации.

 

Таблица 2 – Формы, примеры и причины элиминации организмов

№ п/п

Название формы элиминации

Пример проявления формы элиминации

Причины элиминации

1

Сезонная элиминация

Гибель особей большой синицы в зимнее время года

Недостаточное количество корма. Низкая температура воздуха

2

Возрастная элиминация

Гибель мальков гольяна озерного

Поедание мальков карпом

3

Индивидуальная элиминация

Гибель зайца-беляка

Взаимоотношения «хищник–жертва»

4

Семейная элиминация

Элиминация завершенной кладки черношейной поганки

Высокая скорость ветра, поднимающая волны в пределах колонии

5

Групповая элиминация

Вымирание отряда Динозавры

Падение метеорита

6

Неизбирательная элиминация

Гибель сосен обыкновенных

Пожар в лесу

 

Заполнив таблицу, письменно ответьте на вопросы:

Вопрос 1. Какие причины влияют на интенсивность проявления элиминации?

Вопрос 2. Какие формы элиминации, из указанных в таблице, являются наиболее интенсивными?

В настоящее время признается положение о том, что интенсивность элиминации снижается адаптациями, возникающими благодаря проявлению действия факторов эволюции [6–8]. Рекомендуется заполнение таблицы «Формы элиминации и адаптации, снижающие интенсивность элиминации».

Работа № 3. Тема: Адаптации растений и животных, снижающие вероятность и интенсивность элиминации.

Рекомендации по выполнению работы:

  1. Приведите примеры адаптаций растений, снижающих интенсивность элиминации на определенной стадии онтогенеза.
  2. Приведете примеры адаптаций животных, которые приводят к уменьшению интенсивности элиминации.
  3. Используя рекомендованную литературу [6–8] и собственные наблюдения, заполните таблицу (табл. 3).

 

Таблица 3 – Формы элиминации и адаптации организмов

№ п/п

Название формы элиминации

Адаптации растений, уменьшающие интенсивность элиминации

Адаптации животных, уменьшающие интенсивность элиминации

1

Сезонная элиминация

Листопад

Накопление жира

2

Возрастная элиминация

Запас питательных веществ в семенах

Хвост личинки головастика

3

Индивидуальная элиминация

Длина корня

Способность передвигаться с большей скоростью по сравнению с другими особями популяции

4

Семейная элиминация

Забота о потомстве

5

Групповая элиминация

Распространение семян и плодов

Миграции животных

6

Неизбирательная элиминация

Высокая плодовитость

Перемещение в благоприятные условия обитания

 

Заполнив таблицу, письменно ответьте на вопросы:

Вопрос 1. Какие причины приводят к возникновению адаптаций, уменьшающих интенсивность и вероятность элиминации?

Вопрос 2. Могут ли адаптации, снижающие вероятность элиминации, утратиться организмами?

Вопрос 3. Какие причины способствуют сохранению у организмов адаптаций, снижающих интенсивность элиминации?

Распространенным вариантом адаптации, которая уменьшает интенсивность элиминации на ранних стадиях онтогенеза, является ценогенез. Это приспособление, которое проявляется на эмбриональных или личиночных стадиях развития и снижает вероятность гибели организма.

Работа № 4. Примеры ценогенезов и их значение в онтогенезе.

Рекомендации по выполнению работы:

  1. Используя рекомендованную литературу [6–8], познакомьтесь с определением ценогенезов.
  2. Прочитайте учебный материал и найдите примеры ценогенезов растений и животных.
  3. Учитывая определения ценогенезов, заполните таблицу (табл. 4), приведя по 2–3 примера ценогенезов растений и животных. Назвав ценогенезы, перечислите их функции.

 

Таблица 4 – Ценогенезы растений и животных

№ п/п

Примеры ценогенезов растений и животных

Значение ценогенеза

1

Эндосперм в семенах растений

Обеспечение зародыша растений питательными веществами

2

Крылатка семени клена остролистного

Распространение семян

3

Жабры личинки стрекозы

Дыхание личинки в водной среде на ранних стадиях онтогенеза

4

Хвост личинки озерной лягушки

Движение личинки в водной среде

 

Заполнив таблицу, ответьте на следующие вопросы:

Вопрос 1. Почему ценогенезы по-другому называют эмбриоадаптации?

Вопрос 2. Почему запас питательных веществ в семени растения является ценогенезом?

Вопрос 3. Почему плацента млекопитающих животных и человека является ценогенезом?

Ценогенез, являясь адаптацией, проявляющейся в раннем онтогенезе, может принадлежать небольшой совокупности организмов и соответствовать идиоадаптации или распространиться на виды в пределах крупного надвидового таксона. В этом случае ценогенез может быть отнесен к ароморфозу.

Изучение темы «Борьба за существование» включает вопросы по формам борьбы за существование. Ч. Дарвин описал три формы борьбы за существование: внутривидовую, межвидовую и борьбу с условиями неорганической природы [15]. Классификация форм борьбы за существование, предложенная Ч. Дарвином, признается и в настоящее время, что связано с тем, что биологическая наука и в настоящее время носит видоцентристский характер.

Учебные издания, вышедшие в свет после возникновения СТЭ, придерживаются разных вариантов классификации форм борьбы за существование. В учебнике А.С. Северцова [6] признается выделение внутривидовой и межвидовой борьбы за существование. В пределах внутривидовой формы выделяются: индивидуальная пассивная, индивидуальная активная и условная борьба за существование. Борьба с условиями неорганической природы в большей степени относится к индивидуальной пассивной форме. При изучении форм борьбы, относящихся к внутривидовым взаимоотношениям, можно на примере индивидуальной пассивной борьбы рассмотреть примеры органов индивидуальной пассивной защиты. В качестве раздаточного материала по названной категории органов и структур можно использовать покровную ткань древесных растений, колючки на вегетативных органах растений, раковины моллюсков, панцирь черепахи и другие подобные структуры. Теоретическое обсуждение учебного материала по межвидовой борьбе за существование, должно пройти при обсуждении следующих вопросов:

– Что является причиной межвидовой борьбы за существование?

– Какая форма борьбы за существование является наиболее древней, а какая филогенетически молодой?

– К каким эволюционно важным следствиям приводит межвидовая борьба за существование?

– В каких областях практической деятельности необходимо применять знания о межвидовой борьбе за существование?

Описание форм борьбы за существование может быть связано с характеристикой форм или способов элиминации. В соответствии с этим уместным будет выполнение задания, в ходе которого иллюстрируется связь между проявлением формы борьбы за существование и формой элиминации.

Работа № 5. Формы борьбы за существование и формы элиминации.

Рекомендации по выполнению работы:

  1. Повторите учебный материал о формах борьбы за существование и формах элиминации [6–8].
  2. Назовите следствия, к которым приводят формы борьбы за существование.
  3. Приведите примеры явлений, связанных с разными формами борьбы за существование и тех форм элиминации, которые являются следствием проявления названных форм борьбы за существование. Заполните таблицу (табл. 5).

 

Таблица 5 – Формы борьбы за существование и формы элиминации

Пример явления

Проявляющаяся форма борьбы за существование

Возможная форма элиминации

1. Взаимодействие между проростками свеклы

Внутривидовая борьба за существование

Индивидуальная элиминация

2. Аллелопатическое влияние борщевика сосновского на культурные растения

Межвидовая борьба за существование

Групповая элиминация

3. Размещение озерной чайкой гнезд среди зарослей тростника обыкновенного

Борьба с условиями неорганической природы

Семейная элиминация

 

Заполнив таблицу, ответьте на вопросы:

Вопрос 1. К какому следствию, кроме элиминации, может привести проявление борьбы за существование?

Вопрос 2. Может ли одна форма борьбы за существование быть причиной нескольких форм элиминации?

Вопрос 3. Какие причины влияют на интенсивность элиминации?

Одним из длительных результатов эволюции полового размножения позвоночных животных является птичье яйцо. Изучение особенностей строения и химического состава птичьего яйца позволило выявить у этой структуры комплекс овоадаптаций, которые обеспечивают условия для развития зародыша птицы на ранних стадиях онтогенеза [21; 22].

Изучение адаптивных особенностей птичьего яйца можно провести в форме лабораторной работы, в ходе которой можно познакомиться, например, с характером распределения пор в скорлупе яйца. Выбранный параметр обеспечивает протекание процессов жизнедеятельности на ранних стадиях онтогенеза и является характеристикой, входящей в комплекс ценогенезов.

Лабораторная работа. Тема: Скорлупа куриного яйца как ценогенез. Расположение пор в скорлупе.

Теоретическая часть. Используя рекомендованную литературу [21; 22], познакомьтесь с материалом по строению и химическому составу птичьего яйца. Прочтите материал по следующим вопросам:

  1. Какие части выделяют в пределах птичьего яйца при описании его радиальной структуры?
  2. Какие группы органических и минеральных веществ входят в состав скорлупы, белковой оболочки и желтка?
  3. Какие особенности строения яйца обеспечивают условия для протекания эмбрионального развития?

Практическая часть. Работу по названной теме рекомендуется выполнять по плану:

  1. Рассмотрите особенности внешнего строения птичьего яйца, используя куриное яйцо. Найдите три области скорлупы яйца: тупой конец, экватор и острый конец.
  2. Осторожно разбейте скорлупу яйца и вылейте его содержимое в чашку Петри. В содержимом яйца найдите три фракции белка: жидкий, плотный и градинковый. Градинковый слой является самым плотным и прилегает к желтку.
  3. Удалите с внутренней поверхности скорлупы белковые оболочки.
  4. Обработайте скорлупу с внутренней стороны 1% спиртовым раствором метиленовой сини, добившись проявления пор.
  5. На полоске бумаги вырежьте квадратик площадью 0,25 см². Приложите полоску бумаги к окрашенной скорлупе и посчитайте поры, которые будут видны на месте вырезанного квадратика. Эти измерения проделайте на скорлупе всех трех частей яйца.
  6. Полученные результаты обработать математически с вычисление стандартных параметров вариационного ряда.
  7. Полученные результаты записать в таблицу (табл. 6).

 

Таблица 6 – Количество пор в скорлупе куриного яйца

Область скорлупы яйца

Количество измерений

Среднее количество пор на 0,25 см²

1. Тупой конец

20

30

2. Экватор

20

25

3. Острый конец

20

18

 

Заполнив таблицу, ответьте на вопросы:

Вопрос 1. Как распределяются поры поверхности скорлупы (равномерно или неравномерно)?

Вопрос 2. В какой области скорлупы максимальное, а в какой минимальное количество пор?

Вопрос 3. В чем заключается адаптивное значение неравномерного распределения пор по поверхности скорлупы?

Изучение проявления форм борьбы за существование возможно при проведении наблюдений в природе. Может быть рекомендовано проведение следующего исследования.

Тема: Проявление форм борьбы за существование в поселении рыжих лесных муравьев.

Рекомендации по выполнению работы:

  1. При проведении наблюдений необходимо следующее оборудование: термометр, мерная лента, полевой дневник, ручка (карандаш).
  2. Для выполнения работы необходимо выбрать участок леса, на территории которого расположены муравейники. Поселение должно принадлежать рыжим лесным муравьям.

Проводя наблюдения за муравьями выбранного поселения, можно описать внутривидовую, межвидовую борьбу за существование и взаимодействие организмов с условиями неорганической природы.

Наблюдения по изучению взаимодействия муравьев с условиями неорганической природы:

Влияние температуры воздуха на жизнедеятельность рыжих лесных муравьев. Используя термометр и проводя наблюдения, можно выяснить реакцию муравьев на температуру среды обитания. После наблюдения ответьте на следующие вопросы:

Вопрос 1. При какой температуре воздуха рыжие лесные муравьи выходят на поверхность муравейника?

Вопрос 2. При какой температуре воздуха происходит массовый выход муравьев на поверхность муравейника?

Вопрос 3. Какие особенности поведения муравьев позволяют избегать влияние неблагоприятных температур?

Влияние освещенности среды на жизнедеятельность рыжих лесных муравьев. Проведите наблюдения, получив ответы на следующие вопросы:

Вопрос 1. Как освещается поверхность муравейника (постоянно или временно)?

Вопрос 2. В солнечный день определите время, с которого начинается и в которое заканчивается освещение муравейника.

Реакция муравьев на атмосферные осадки. Проведите наблюдения за состоянием муравейника при атмосферных осадках. Ответьте на следующие вопросы:

Вопрос 1. Перемещаются ли муравьи по муравейнику во время дождя? Почему?

Вопрос 2. В каком состоянии во время дождя находятся отверстия в ходы на поверхности муравейника?

Вопрос 3. Через какой промежуток времени после окончания дождя муравьи появляются на поверхности муравейника?

Наблюдения по изучению внутривидовых взаимоотношений муравьев:

Внутривидовые взаимоотношения у животных приводят к изменению их поведения. Наблюдая за поведением, можно сделать выводы о характере взаимодействия вида животного с представителями своего вида. Проведите наблюдения за поведением муравьев и ответьте на следующие вопросы:

Вопрос 1. Какой вид имеет траектория движения муравьев по поверхности муравейника?

Вопрос 2. Как изменяется поведение муравьев при встрече двух особей одного вида?

Вопрос 3. По каким параметрам можно описать характер движения муравьев?

Вопрос 4. Какие особенности поведения доказывают, что организмы одного вида муравьев реагируют друг на друга?

Наблюдения по изучению межвидовых взаимоотношений муравьев: этот вариант взаимодействия со средой обитания можно описать при наблюдении за ловлей и составом добычи, используемой рыжими лесными муравьями.

Дисциплина «Теория эволюции» в педагогическом вузе изучается на 5 курсе и по сути дела почти завершает подготовку учителя биологии. При освоении дисциплины студенты закрепляют свои знания о закономерностях протекания эволюционного процесса на микро- и макроэволюционном уровнях, могут объяснять результаты эволюции с точки зрения роли материальных факторов эволюции, владеют навыками практического использования методов изучения эволюционного процесса и современными методами проведения полевых и лабораторных исследований. По большому счету, это способствует формированию у студентов такой важной профессиональной способности, как организация успешного рефлексивного обучения учащихся [23], поскольку только разносторонне подготовленный учитель может научить учащихся осваивать что-то новое, анализировать, сопоставлять факты, т.е. мыслить самостоятельно.

Таким образом, методика изучения борьбы за существование как самостоятельного фактора эволюции в вузовской дисциплине «Теория эволюции» может быть реализована в форме теоретических и практических заданий, выполнение которых, с одной стороны, позволит описать механизмы проявления этого фактора эволюции, его результаты и закрепит эти знания и умения у студентов, а с другой стороны – будет способствовать профессиональному росту студентов.

Лень как результат эволюции, ядерная паста, планета Спока и советы желающим забеременеть

  • Николай Воронин
  • Корреспондент по вопросам науки и технологий

Автор фото, University of Florida/Don Davis

В очередной подборке самых интересных, самых важных и просто самых необычных и забавных научных новостей недели:

Астрономы нашли планету Вулкан из «Звездного пути»

Ученые из Университета Флориды обнаружили новую экзопланету в созвездии Эридана — ровно там, где во вселенной киносаги «Звездный путь» располагается Вулкан, родная планета Спока и остальных вулканцев.

Местоположение легендарной планеты автор «Стартрека» Джин Родденберри описал еще в 1991 году: по его словам, она должна находиться на расстоянии около 16,5 световых лет от Земли и обращаться вокруг звезды 40 Эридана A — самого яркого компонента этой тройной звездной системы.

Именно там астрономы и обнаружили новую планету. Она примерно вдвое больше и в восемь раз тяжелее Земли, а календарный год там продолжается 42 земных дня — именно столько у «Вулкана» (планета еще не получила официального названия) уходит на полный оборот вокруг своей звезды.

Сама звезда чуть легче и чуть холоднее нашего Солнца, но примерно того же возраста. При этом она настолько яркая, что с Земли ее можно увидеть невооруженным глазом.

Открытие астрономы сделали при помощи 1,3-метрового телескопа в Аризоне — и описали его в журнале Nature.

Автор фото, M.E. CAPLAN AND C.J. HOROWITZ/REVIEWS OF MODERN PH

Ядерная паста. Самое твердое вещество во Вселенной

Ньокки, спагетти или лазанья? Именно так — как на картинке выше — выглядит начинка нейтронных звезд.

Они образуются в результате взрыва и коллапса умирающей звезды. По массе нейтронные звезды сравнимы с нашим Солнцем, однако в диаметре составляют всего 10-20 км.

Неудивительно, что ядра атомов там настолько плотно прижаты друг к другу, что слипаются вместе, образуя вещество невероятной плотности — примерно в 100 трлн раз плотнее воды.

Ученые рассчитали, что протоны и нейтроны должны слипаться либо в комочки, либо в длинные трубочки, либо в тонкие слои — и назвали их по аналогии с макаронными изделиями.

Только в отличие от настоящих спагетти сломать эту ядерную пасту не так просто. Согласно последним расчетам, это самое твердое вещество во Вселенной — примерно в 10 млрд раз тверже стали.

Автор фото, AFP/Getty Images

Загадочный свет нейтронных звезд

Космический телескоп «Хаббл» запечатлел нечто невероятное: нейтронную звезду, которая излучает странное и необъяснимое свечение.

Мощное излучение инфракрасного спектра охватывает огромное пространство — больше, чем вся наша Солнечная система. Его природа пока не понятна, но ясно одно: это свечение не только самой звезды.

У ученых есть две версии — и каждая из них потенциально означает грандиозное открытие.

Либо мы впервые наблюдаем окружающий нейтронную звезду диск разреженной материи, либо это ветер пульсара (вращающейся нейтронной звезды), излучающего исключительно в инфракрасном диапазоне — такого ученые тоже никогда раньше не видели.

Есть и еще один вариант — инфракрасное излучение может исходить от какого-то другого объекта, расположенного за самим пульсаром. Но, как утверждают ученые, такая вероятность ничтожно мала.

Автор фото, Getty Images

Лень — результат эволюции

Наш мозг эволюционно запрограммирован лениться. К такому неожиданному открытию пришли ученые из Университета Британской Колумбии.

Матьё Буагонтье и его коллеги пытались разрешить так называемый «парадокс физических упражнений», ответив на вопрос: почему на протяжении последних десятилетий общество прикладывает всё больше и больше усилий, чтобы люди вели активный образ жизни, однако статистика показывает обратную динамику — люди двигаются всё меньше и меньше.

Участников эксперимента усадили перед компьютером и «раздали» по виртуальному аватару, вокруг которого на экране в случайном порядке появлялись картинки, изображающие какую-либо физическую активность или пассивное времяпрепровождение. Сначала испытуемых просили как можно быстрее направлять своего компьютерного героя к картинкам физической активности — и подальше от «пассивных» изображений. Затем их попросили делать все наоборот.

Одновременно ученые при помощи электродов записывали происходящее в голове игроков. И энцефалограммы показали: хотя скорость приближения к «активным» картинкам и удаления от «пассивных» была одинаковой, вторая задача давалась мозгу значительно труднее и требовала от него куда большей работы.

«Такие результаты заставляют предположить, что наш мозг по своей природе склонен предпочитать малоподвижный образ жизни и действия, требующие минимальной затраты физических сил», — утверждает автор работы.

«Ведь экономия энергии всегда была приоритетом для выживания человека, это позволяло нам более эффективно искать еду и укрытие, бороться за внимание сексуальных партнеров и спасаться от хищников, — поясняет ученый. — Возможно, провал любых мер, направленных на борьбу с эпидемией физической пассивности, обусловлен особенностями нашего восприятия, сложившегося в ходе эволюции».

Теперь, говорит он, вопрос в том, можно ли «перепрограммировать» эту тенденцию, сложившуюся за миллионы лет эволюции.

Автор фото, SCIENCE PHOTO LIBRARY

Долгие перерывы между занятиями сексом снижают шансы на зачатие

Исследование китайских ученых опровергает широко распространенное мнение о том, что долгие периоды воздержания от секса повышают шансы забеременеть.

«Долгие годы мужчинам, желающим завести ребенка, советовали умерить свою сексуальную активность (и реже заниматься сексом), чтобы повысить вероятность зачатия, — говорит руководитель исследования Да Ли. — Однако настало время отказаться от таких советов».

В исследовании приняли участие почти 500 супружеских пар, пытающихся забеременеть при помощи ЭКО: ученые выясняли, как частота эякуляции влияет на зачатие, измеряя объем семенной жидкости и подвижность сперматозоидов.

Результаты работы не оставляют сомнений: наиболее активными оказались сперматозоиды тех мужчин, которые в предыдущий до этого раз эякулировали буквально час-два назад. А вот у мужчин, воздерживавшихся в течение нескольких дней, подвижность половых клеток оставляла желать лучшего — и зачать ребенка им удавалось примерно на 30% реже.

Дальнейшие исследования образцов показали, что качество сперматозоидов начинает ухудшаться почти сразу — и чем дольше живет мужская половая клетка, тем меньше у нее шансов произвести жизнеспособный эмбрион.

Просветительский фонд «Эволюция»

Просветительский фонд «Эволюция»

Совет фонда


Борис Штерн

доктор физико-математических наук, главный редактор газеты «Троицкий вариант — Наука», финалист премии «Просветитель»

Михаил Гельфанд

доктор биологических наук, член Academia Europaea, заместитель директора ИППИ РАН, профессор «Сколтеха», НИУ ВШЭ и МГУ

Александр Марков

доктор биологических наук, лауреат премии «Просветитель»

Ася Казанцева

научный журналист, лауреат премии «Просветитель»

Борис Долгин

советник ректора НИУ ВШЭ

Александр Панчин

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института проблем передачи информации РАН

Ирина Левонтина

кандидат филологических наук, ведущий научный сотрудник Института русского языка РАН, финалист премии «Просветитель»

Виктор Васильев

доктор физико-математических наук, академик РАН, ординарный профессор, член Ученого совета ВШЭ, президент Московского математического общества

Варвара Горностаева

главный редактор издательства Corpus

Александр Дубынин

организатор научных событий, директор фестиваля науки EUREKA!FEST

Аскольд Иванчик

доктор исторических наук, член-корреспондент РАН

Валерий Рубаков

доктор физико-математических наук, академик РАН

Пётр Талантов

врач, член Комиссии РАН по противодействию фальсификации научных исследований, лауреат премии «Просветитель»

Юрий Баевский

организатор научных фестивалей, старший преподаватель нижегородского филиала ВШЭ

Помогите фонду

Новости фонда

Ваш платеж успешно выполнен

Ваш платеж не прошел

© 2015-2019. Просветительский фонд «Эволюция». Все права защищены.

    Безопасность платежей     Политика конфиденциальности

ЭВОЛЮЦИЯ ГИПЕРКИНЕЗОВ ПРИ ПРОГРЕССИРОВАНИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ У ДЕТЕЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ) | Бобылова

1. Адрианов О.С., Молодкина Л.Н., Ямщикова Н.Г. Ассоциативные системы мозга и экстраполяционное поведение. – М.: Медицина, 1987. – С. 120, 152-172.

2. Антропов Ю.Ф., Шевченко Ю.С. Психосоматические расстройства у детей. – М., 2000.

3. Бадалян Л.О., Скворцов И.А., Каменных Л.Н. и соавт. Пароксизмальный генерализованный тик (синдром Туретта) // Клиническая медицина. – 1979. – №9. – С. 28-34.

4. Бембеева Р.Ц., Бобылова М.Ю., Банин А.В., Пальм В.В., Рассказчикова И.В., Захарова У.Ю., Шехтер О.В., Покровская А.Я. Глютаровая ацидемия 1 типа // Материалы научно-практической конференции, посвященной 20-летию РДКБ. 2005 г. – С 92-94.

5. Бобылова М.Ю., Дунаевская Г.Н. Дистонии – актуальная проблема клинической неврологии // Детская больница. – 2006. – №2. – С. 42-45.

6. Бобылова М.Ю., Ильина Е.С., Пилия С.В., Миронов М.Б., Васильева И.А., Холин А.А., Михайлова С.В., Петрухин А.С. Пароксизмальные дискинезии // Лечащий врач. – 2006. – № 5. – С. 22-27.

7. Бобылова М.Ю., Козловский А.С., Полюдов С.А., Мызин А.В., Горицкая Т.А., Золотых М.Ю. Синдром Сандифера под «маской» кривошеи: клиническое наблюдение // Педиатрия. – 2009. – Т. 87, № 3. – С. 144-147.

8. Бобылова М.Ю., Максимова М.Е. Синдром Ретта: обзор литературы и клинический пример // Детская и подростковая реабилитация. – 2008. – №1. – С. 49-55.

9. Бобылова М.Ю., Михайлова С.В., Гринио Л.П. Дофа-зависимая дистония (болезнь Сегавы) // Журн неврол психиатр. – 2009. – Т. 109. – № 8. – С. 73-76.

10. Бобылова М.Ю., Петрухин А.С., Дунаевская Г.Н., Пилия С.В., Ильина Е.С. Клинико-психологические особенности детей с дисгенезией червя мозжечка // Журн неврол психиатр. – 2006. – № 8. – С. 21-25.

11. Бобылова М.Ю., Федонюк И.Д., Ильина Е.С. Развитие симптомов торсионной дистонии (клиническое наблюдение) // Медицинский совет. – 2007. – № 3. – С. 8-11.

12. Биохимия мозга, под ред. И.П. Ашмарина. – СПб.: Изд. СПб. Университета, 1999. – С. 29-56, 179-266, 296-317.

13. Бондаренко Е.С., Малышев Ю.И., Зыков В.П. и соавт. Патобиохимические аспекты экстрапирамидных синдромов детского возраста // Альманах Исцеление. – М., 1993. – С. 166-172.

14. Волохов А.А., Развитие нервной системы в раннем возрасте. Возрастная Физиология: Руководство по физиологии. – Л.: Наука, 1975.

15. Голубев В.Л., Вейн А.М. Неврологические синдромы: Руководство для врачей. – МИА, 2002. – 831 с.

16. Иверсен Л. Химия мозга / Мозг. Под ред. П.В. Симонова. – М.: Мир, 1984. – С. 141-166.

17. Ильина Е.С., Бобылова М.Ю. Энцефалопатия Кинсбурна, или опсоклонус-миоклонус синдром, в детском возрасте // Лечащий врач. – 2006. – №5. – С. 36-38.

18. Каплан Г.И., Сэдок Б.Дж. Клиническая психиатрия. В 2х т. Т.2. пер. с англ. – М., 1998.

19. Коган Б.М., Дроздов А.З. Определение катехоламинов в психиатрии. – М., 1998. – 290 с.

20. Лурия А.Р. Высшие корковые функции человека. – М.: Академический проект, 2000. – 512 с.

21. Михайлова С.В., Захарова Е.Ю., Бобылова М.Ю., Ильина Е.С., Банин А.В., Рассказчикова И.В., Байдакова Г.В., Шехтер О.В., Брюсова И.Б., Волкова Г.И., Петрухин А.С. Глутаровая ацидурия тип 1: клиника, диагностика и лечение // Журн неврол психиатр. – 2007. – Т. 107. – № 10. – С. 4-12.

22. Руденская Г.Е., Бобылова М.Ю., Захарова Е.Ю., Бессонова Л.А., и соавт. Синдром Леша-Найхана: фенотипическое разнообразие и ДНК-диагностика // Медицинская генетика. – 2010. – Т. 9. – № 9. – С. 41-48.

23. Самохвалов В.П. Эволюционная психиатрия. – Симферополь, 1993. – С. 125-142.

24. Циркин В.И., Трухина С.И. Физиологические основы психической деятельности и поведения человека. – М.: Медицинская книга, 2001. – 524 с.

25. Шепперд Г. Нейробиология в 2х томах. – М.: Мир, 1987. – Т. 1. – 454 с.; Т. 2. – С. 34-45, 173-176.

26. Экстрапирамидные расстройства: Руководство по диагностике и лечению / Под ред. В.Н. Штока, И.А. Ивановой-Смоленской, О.С. Левина. – Москва: МЕДпресс-информ, 2002. – 608 с.

27. Bagheri M.M., Kerbeshian J., Burd L. American Family Physician. Recognition and Management of Tourette’s Syndrome and Tic Disorders. – 1999. – V. 59. – P. 2263-2274.

28. Eichelman B. Neurochemical basis of aggressive behavior // Psychiatr Ann. – 1987. – V. 17. – P. 371-374.

29. Fernandez-Alvarez E., Aicardi J. Movement disorders in children // ICNA. – 2001. – 263 p.

30. Hanna G.L., Veenstra-VanderWeele J., Cox N.J., Genome-wide linkage analysis of families with obsessive-compulsive disorder ascertained through pediatric probands // Am J Med Genet. – 2002. – V. 8. – V. 114(5). – P. 541-52.

31. Hoekstra P.J., Kallenberg C.G., Korf J., Minderaa R.B. Is Tourette’s syndrome an autoimmune disease? // Mol Psychiatry. – 2002. – V. 7(5). – P. 437-45.

32. Kwak C.H., Jankovic J. Tourettism and dystonia after subcortical stroke // Mov Disord. – 2002. – V. 17(4). – P. 821-5.

33. Majumdar A., Appleton R.E. Delayed and severe but transient Tourette syndrome after head injury // Pediatr Neurol. – 2002. – V. 27(4). – P. 314-7.

34. Mejia N.I. Jankovic J. Secondary tics and tourettism // Rev. Bras. Psiquiatr. – 2005. – V. 27. – № 1.

35. Palumbo D., Maughan A., Kurlan R. Hypothesis III: Tourette syndrome is only one of several causes of a development basal ganglia syndrome // Arch Neurol. – 1997. – V. 54. – P. 475-483.

36. Scarano V., Pellecchia M.T., Filla A., Barone P. Hallervorden-Spatz syndrome resembling a typical Tourette syndrome // Mov Disord. – 2002. – V. 17(3). – P. 618-20.

37. Swedo S.E., Leonard L.H., Garvey M., et al. Paediatric Autoimmune Neuropsychiatric Disorders Associated With Streptococcal Infections: Clinical Description of the First 50 Cases // American Journal of Psychiatry. – 1998. – V. 155. – P. 264-271.

38. The neuropsychiatry of limbic and subcortical disoders / Edit. by Salloway S., Malloy P., Cummings J.L. – American Psychiatric Press. Washington, DC. London, England, 1997. – P. 3-18, 133-143.

(PDF) Ревность как результат эволюции

Вопросы студенческой науки Выпуск №4 (44), апрель 2020

510

Список используемой литературы:

1. Yong J.C., Li N.P. The Adaptive Functions of Jealousy. DOI: 10.1007/978-3-319-77619-4_7

[Электронный ресурс] – Режим доступа:

https://www.researchgate.net/publication/324651402_The_Adaptive_Functions_of_Jealousy — 2018.

2. Ушаков Д.Н. Большой толковый словарь русского языка. Современная редакция. М.: Славянский Дом

Книги, 2017. – 960 с.

3. Buss D.M. The dangerous passion: Why jealousy is as necessary as love and sex. New York, NY: Simon &

Schuster, 2000. – 272 с.

4. Buss D.M., Duntley J.D. The evolution of intimate partner violence // Aggression and Violent Behavior. –

2011. – № 16. – С. 411-419.

5. Michael A., Mirza S., Mirza K.A., Babu V.S., Vithayathil E. Morbid jealousy in alcoholism // British Journal

of Psychiatry. – 1995. – №167. – С. 668-672.

6. Nesse R.M., Berridge K.C. Psychoactive drug use in evolutionary perspective // Science. – 1997. – № 278. –

С. 63-66.

7. Buss D.M., Shackelford T.K. From vigilance to violence: Mate retention tactics in married couples // Journal

of Personality and Social Psychology. – 1997. – № 72. – С. 346-361.

8. Daly M., Wilson M. Homicide. Hawthorne, NY: Aldine, 1988. – 342 c.

9. Buss D.M. Sexual jealousy // Psychological Topics. – 2013. – № 22. – С. 155-182.

10. Jonason P.K., Li N.P., Buss D.M. The costs and benefits of the Dark Triad: Implications for mate poaching

and mate retention tactics // Personality and Individual Differences. – 2010. – № 48. – С. 373-378.

11. de Miguel A., Buss D.M. Mate retention tactics in Spain: Personality, sex differences, and relationship status

// Journal of Personality. – 2011. – № 79. – С. 563-586.

12. Shackelford T.K., Goetz A.T., Buss D.M. Mate retention in marriage: Further evidence of the reliability of

the Mate Retention Inventory // Personality and Individual Differences. – 2005. – № 39. – С. 415-425.

13. Dobzhansky T. Nothing in biology makes sense except in the light of evolution // American Biology Teacher.

– 1973. – № 35. – С. 125-129.

14. Barkow J., Tooby J., Cosmides L. The Adapted Mind: Evolutionary Psychology and the Generation of

Culture. New York, NY: Oxford University Press, 1992. – 688 с.

15. Williams G.C. Adaptation and natural selection. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1996. – 320 с.

16. Buss D.M. Sex differences in human mate preferences: Evolutionary hypotheses tested in 37 cultures //

Behavioral and Brain Sciences. – 1989. – № 12. – С. 1-14.

17. Baumeister R.F., Leary M.R. The need to belong: Desire for interpersonal attachments as a fundamental

human motivation // Psychological Bulletin. – 1995. – № 117. – С. 497-529.

18. Symons D. The evolution of human sexuality. New York, NY: Oxford University Press, 1981. – 368 с.

19. Daly M., Wilson M. Sex, evolution, and behavior. Boston, MA: Willard Grant Press, 1983. – 416 с.

20. Buss D.M., Schmitt D.P. Sexual Strategies Theory: An evolutionary perspective on human mating //

Psychological Review. – 1993. – № 100. – С. 204-232.

21. Wilson M.I., Daly M. Male sexual proprietariness and violence against wives // Current Directions in

Psychological Science. – 1996. – № 5. – С. 2-7.

22. Buss D.M., Larsen R., Westen D., Semmelroth, J. Sex differences in jealousy: Evolution, physiology, and

psychology // Psychological Science. – 1992. – № 3. – С. 251-255.

23. Miller S.L., Maner J.K. Sex differences in response to sexual versus emotional infidelity: The moderating

role of individual differences // Personality and Individual Differences. – 2009. – № 46. – С. 287-291.

24. Harris C.R. Psychophysiological responses to imagined infidelity: The specific innate modular view of

jealousy reconsidered // Journal of Personality and Social Psychology. – 2000. – № 78. – С. 1082-1091.

25. Buunk A.P., Angleitner A., Oubaid V., Buss D.M. Sex differences in jealousy in evolutionary and cultural

perspective: Tests from the Netherlands, Germany, and the United States // Psychological Science. – 1996. – № 7. – С.

359-363.

26. de Souza A.A., Verderane M.P., Taira J.T., Otta E. Emotional and sexual jealousy as a function of sex and

sexual orientation in a Brazilian sample // Psychological Reports. – 2006. – № 98. – С. 529-535.

27. Brase G. L., Caprar D.V., Voracek M. Sex differences in responses to relationship threats in England and

Romania // Journal of Social and Personal Relationships. – 2004. – № 21. – С. 763-778.

28. Wiederman M.W., Kendall E. Evolution, sex, and jealousy: Investigation with a sample from Sweden //

Evolution and Human Behavior. – 1999. – № 20. – С. 121-128.

29. Whitty M.T., Quigley L.L. Emotional and sexual infidelity offline and in cyberspace // Journal of Marital

and Family Therapy. – 2008. – № 34. – С. 461-468.

30. Pietrzak R.H., Laird J.D., Stevens D.A., Thompson N.S. Sex differences in human jealousy: A coordinated

study of forced-choice, continuous rating-scale, and physiological responses on the same subjects // Evolution and Human

Behavior. – 2002. – № 23. – С. 83-94.

31. Takahashi H., Matsuura M., Yahata N., Koeda M., Suhara T., Okubo Y. Men and women show distinct brain

activations during imagery of sexual and emotional infidelity // NeuroImage. – 2006. – № 32. – С. 1299-1307.

32. Haselton M.G., Gangestad S.W. Conditional expression of women’s desires and men’s mate guarding across

the ovulatory cycle // Hormones and Behavior. – 2006. – № 49. – С. 509-518.

Темпы эволюции зубов и их значение для расхождения между неандертальцами и современными людьми

Abstract

Происхождение неандертальцев и современных людей является предметом интенсивных дискуссий. Анализ ДНК в целом показал, что обе линии разошлись в среднем периоде среднего плейстоцена, предполагаемом времени, которое сильно повлияло на интерпретацию летописи окаменелостей гомининов. Однако это время дивергенции несовместимо с анатомическим и генетическим сходством с неандертальцами, наблюдаемыми у гомининов среднего плейстоцена из Сима-де-лос-Уэсос (Испания), которые датируются 430 тысячами лет (тыс. Лет назад).Опираясь на количественный анализ темпов эволюции зубов и байесовский анализ филогенетических отношений гомининов, я показываю, что любое время расхождения между неандертальцами и современными людьми моложе 800 тыс. Лет назад повлекло бы за собой неожиданно быструю эволюцию зубов у ранних неандертальцев из Сима-де-лос-Уэсос. Эти результаты подтверждают, что последний общий предок неандертальцев и современных людей был до 800 тыс. Лет назад, если до сих пор необъясненные механизмы не ускорили эволюцию зубов у ранних неандертальцев.

ВВЕДЕНИЕ

Время и личность последнего общего предка (LCA) Homo neanderthalensis и Homo sapiens (далее именуемых неандертальцами и современными людьми) являются предметом интенсивных дискуссий ( 1 5 ).Исследования древней ДНК (аДНК) обычно указывают на время расхождения ок. 400 тысяч лет (тыс. Лет назад) ( 6 ), что нашло подтверждение в некоторых количественных исследованиях черепных вариаций ( 7 ). Кроме того, обычно обсуждаемые эволюционные сценарии предполагают, что по крайней мере некоторые гоминины среднего плейстоцена, датированные 600-400 тыс. Лет назад или даже моложе, были частью последнего общего предкового вида неандертальцев и современных людей [обзор в ( 8 ) ]. Однако многочисленные анатомические исследования окаменелостей показали, что некоторые европейские гоминины среднего плейстоцена, особенно принадлежащие к выборке Sima de los Huesos (SH), демонстрируют явное сходство с неандертальцами ( 9 11 ).После некоторых противоречивых результатов относительно геологического возраста гомининов SH ( 12 , 13 ), эта коллекция теперь надежно датирована 430 тыс. Лет назад ( 14 ), возраст, который подтверждается анализом длины его ветвь митохондриальной ДНК (мтДНК) ( 15 ). Кроме того, недавний анализ ядерной ДНК (яДНК) этой популяции продемонстрировал эволюционное сродство SH-гомининов с классическими неандертальцами ( 16 ), что делает расхождение между неандертальцами и современными людьми обязательно старше возраста окаменелостей SH. .Некоторые недавние исследования отражают эти новые результаты и подтверждают более ранний возраст для этой LCA от 550 до 765 тыс. Лет назад ( 17 ), основанный на более поздних оценках частоты мутаций у человека ( 16 ). Время расхождения, выведенное из геномных данных, сильно зависит от оценки скорости мутации и времени генерации, которые все еще обсуждаются ( 18 ). Небольшие вариации этих параметров могут привести к очень разным оценкам времени дивергенции между двумя видами. Если эти нюансы не принимаются во внимание, то строгое прочтение значений, предоставляемых анализом аДНК, может привести к радикально различным интерпретациям летописи окаменелостей, которые могут даже быть несовместимы с сходством, выведенным из анатомических свидетельств.

Более близкое эволюционное родство SH с неандертальцами, чем с современными людьми, указывает на то, что гоминины SH расходились от современного человеческого происхождения в той же точке, что и классические неандертальцы. Следовательно, генетическая близость, геологический возраст и морфологическая изменчивость SH гомининов могут быть использованы для вывода времени дивергенции неандертальца и современного человека. Недавние исследования вариабельности гомининов показали, что, в отличие от других черт, постклыковая форма зубов, описанная с помощью наборов геометрических морфометрических данных (рис.S1) эволюционировал нейтрально и чрезвычайно однородно во всех линиях гомининов ( 19 ). Это наблюдение было использовано в настоящем исследовании, чтобы сделать вывод о времени, когда неандертальцы и современные люди должны были разойтись, чтобы сохранить скорость эволюции зубной формы филогенетической ветви, ведущей к гомининам SH в пределах того же диапазона вариаций, что и у других видов гомининов ( таблицы S1 и S2). Форма зубов у SH-гомининов неожиданно связана с состоянием неандертальцев, как в выражении дискретных особенностей неандертальцев ( 9 ), так и в крайней степени постканинового структурного уменьшения количества и размера бугорков (рис.S2) ( 11 ). Форма зубов SH-гомининов такова, что не является репрезентативной для других популяций неандертальцев. Однако это не влияет на дизайн данного исследования. Даже если SH-гоминины не демонстрируют среднюю форму зубов, наблюдаемую у более поздних классических неандертальцев, их высокоразвитые зубные ряды, должно быть, развились из той же наследственной формы, что и классические неандертальцы, и в течение периода времени, который отделяет SH-гомининов от неандертальцев-современного человека LCA (см. Рис.1). Однородность темпов эволюции формы зубов резко контрастирует с гораздо более гетерогенным сценарием, наблюдаемым в отношении размера зубов, для которых разные скорости наблюдаются в разных ветвях филогении гомининов ( 19 ).

Рис. 1. Филогенетические сценарии и дентальная морфология SH.

( A ) Филогения гоминина, используемая для анализа темпов эволюции (филогения-1). Ветвь SH представлена ​​бирюзовым цветом, а ветвь LCA — оранжевым. Эти цвета используются для представления темпов эволюции этих двух ветвей на рис.4 и 5 и рис. S5. Серые линии представляют различное время расхождения, которое было оценено. ( B ) Трансформация линии передачи неандертальцев-денисовцев-SH в линию передачи SH. ( C ) Densitree, показывающий случайно выбранную выборку из 100 филогений [из общей выборки из 60 000 филогений, созданной Дембо и его коллегами с помощью байесовского анализа филогенетических отношений гомининов ( 20 )]. Оригинальные деревья Дембо были обрезаны, чтобы сохранить только те виды, по которым имеются стоматологические данные.Длина ветви неандертальцев была сокращена, чтобы отразить возраст ветви SH. ( D ) Верхний и нижний постклыковые зубные ряды одной репрезентативной особи SH (верхний зубной ряд представлен слева). Фото: А. Муэла, фотографии сделаны в Институте здоровья Карлоса III.

Чтобы учесть отсутствие консенсуса по филогенетическим отношениям гомининов, анализ был основан на двух различных филогенетических рамках (рис. S3) ( 19 , 20 ).Первое (филогения-1) — это филогенетическое древо, используемое в предыдущем исследовании темпов эволюции гомининов ( 19 ), которое основано на датах первого и последнего появления тех видов гомининов, для которых были получены данные о форме всех задних зубов. имеется в наличии. Вторая филогения (филогения-2) — это дерево максимальной кладовой достоверности (MCC), рассчитанное Дембо и его коллегами ( 20 , 21 ) в рамках их байесовского анализа филогенетических отношений гомининов. Эта филогения была сокращена, чтобы включить только те виды, по которым были доступны стоматологические данные.В этих двух филогении возраст LCA неандертальца и современного человека был изменен с 500 тыс. Лет назад, что прямо ниже нижней границы интервала, предложенного последними молекулярными анализами ( 16 , 17 , 22 ). , возрасту стягивающего узла с интервалом 100 тыс. лет (рис. 1). Неопределенность в отношении филогенетических отношений гомининов и длины ветвей была решена путем оценки скорости эволюции по выборке из 100 деревьев. Эта выборка деревьев была случайным образом выбрана из выборки из 60000 деревьев, созданных с помощью байесовского анализа филогении гомининов ( 20 , 21 ) (рис.1). Денисовцы ( 23 ), которые отошли от классических неандертальцев после расхождения между неандертальцами и современным человеком, но до возраста окаменелостей SH ( 16 ), не были включены в этот анализ, потому что для этой группы доступны очень скудные фенотипические данные. Однако, учитывая их эволюционное родство ( 24 ), денисовцев, как SH-гомининов, можно считать частью неандертальской линии в широком смысле, или H. neanderthalensis sensu lato (рис.1).

Используемый методологический подход состоял из трехэтапного процесса, который включал вычисление наследственных ценностей с использованием подхода броуновского движения с множественной дисперсией (mvBM) ( 25 ), вычисление количества изменений для каждой ветви как разницы между морфологиями потомков и предков, и сравнение этих значений со значениями, полученными при моделировании эволюции с постоянной скоростью по всем ветвям филогении гомининов ( 19 ). Основным преимуществом этого подхода является то, что он конкретно и количественно объясняет возможность того, что ОЖЦ неандертальцев и современных людей (или любых других двух видов) не была промежуточной по морфологии между обоими дочерними видами, а была больше похожа на неандертальцев. Это сценарий, который недавно был предложен для объяснения присутствия производных неандертальских черт в выборке SH ( 4 ) и даже у более ранних европейских гомининов ( 26 ), но он еще не был официально протестирован.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изменение времени расхождения между SH-ветвями и ветвями современного человека сильно влияет на длину SH-ветви и предшествующей ветви, а также на связанные с ними скорости эволюции. Очень поздние времена расхождения SH-современного человека приводят к очень коротким длинам ветви SH, что, в свою очередь, приводит к очень высоким темпам эволюции этой линии.Напротив, слишком ранние времена расхождения SH-современного человека приводят к очень коротким длинам филогенетической ветви, ведущей к их LCA, что отражается в очень высокой скорости эволюции этой ветви. Рис. 2 показывает, как скорости эволюции, связанные с кладой неандертальца и современного человека (соответствующие ветви SH, ветви современного человека и ветви LCA) существенно различаются при изменении времени дивергенции SH и современного человека, как описано выше. Поскольку время LCA неандертальца и современного человека — единственное, чему можно изменить, существует обратная зависимость между скоростью эволюции ветви, ведущей к SH-гомининам (или неандертальцам), и ветвью, подчиняющей ее, так что более медленная скорость в ветви SH ассоциируется с более высокой скоростью в ответвляющейся ветви (рис.3 и рис. S4).

Рис. 2 Скорость эволюции в зависимости от ветвей, полученная в результате анализа филогении-1.

( A ) Скорость эволюции, полученная при установке времени расхождения SH-современного человека на 0,5 млн. Лет назад. ( B ) Скорости, полученные при установке этого расхождения на 0,9 млн. Лет назад, что является сценарием, связанным с минимальным SD для всех скоростей по дереву. ( C ) Показатели получены при расхождении 1,4 млн. Лет назад. SH — время расхождения современного человека старше 1 года. 4 млн лет назад привели к еще более высоким показателям для ветви, предшествующей разделению SH и современного человека, называемой на следующих рисунках ветвью LCA. Эволюционные скорости представлены над каждой ветвью (серый цвет означает скорости, которые остаются примерно постоянными во всех сценариях, а черный — скорости, связанные с кладой неандертальцев и современного человека, на которые влияют изменения во времени дивергенции SH-современного человека).

Рис. 3 Связь между скоростью эволюции на ветви SH и ветви LCA.

Связь, наблюдаемая при анализе первого филогенетического сценария (филогения-1). Эволюционные скорости в обеих ветвях показывают обратную и нелинейную зависимость, так что очень высокие скорости в ветви SH связаны с очень низкими скоростями в ветви LCA и наоборот. Этот эффект можно визуализировать на рис. 2, который показывает, как эти скорости изменяются в зависимости от предполагаемого времени расхождения SH-современного человека.

Анализ 100 филогений дает очень мало случаев (3 из 100), где SH-ветвь показывает самый высокий уровень по всему дереву, но в большинстве случаев (59 из 100), когда предшествующая ветвь показывает самый высокий уровень по всему дереву. (Рис.4). Согласно этим результатам, сценарии со временем дивергенции старше 0,75 миллиона лет (млн лет назад), в результате которых ветвь LCA демонстрирует самую высокую скорость эволюции, более вероятны, чем сценарии с более молодым временем дивергенции (рис. 5). Тот факт, что ветвь, ведущая к SH-современной человеческой кладе, имеет тенденцию демонстрировать самую высокую скорость эволюции в большинстве филогений, показывает, что дентальная дивергенция была наиболее сильной на более поздних стадиях эволюции рода Homo .

Инжир.4 Вариация темпов эволюции, полученная при анализе 100 деревьев.

( A ) Плотное дерево, показывающее выборку из 100 случайно выбранных деревьев, используемых в расчетах. ( B ) Коробчатая диаграмма, сравнивающая максимальную скорость эволюции (серый), скорость LCA (оранжевый) и скорость SH (бирюзовый) в 100 филогенетиях. ( C ) Скорость эволюции, полученная при анализе каждой из 100 филогений, показывающая максимальную скорость по дереву (серый), показатель LCA (оранжевый) и скорость SH (бирюзовый).Филогении в (C) отсортированы в соответствии с их максимальной скоростью эволюции. График показывает, что частота LCA является максимальной для большинства филогений (59 из 100), тогда как частота SH является максимальной только для трех филогений. Во всех остальных случаях максимальная ставка наблюдается в других ветвях (в большинстве случаев в ветке P. boisei ).

Рис. 5 Наиболее вероятное время дивергенции неандертальца и современного человека на основе анализа филогении-1.

( A ) Сравнение наблюдаемых SD всех скоростей филогении гомининов (красные точки) с распределениями SD, полученными при моделировании эволюции на том же дереве с постоянной скоростью.( B ) Сравнение темпов эволюции в ветви SH (бирюзовый), ветви LCA (оранжевый) и всех других ветвях (серый), полученных для различных времен расхождения SH-современного человека. ( C ) Сравнение частоты SH (бирюзовая линия) с 95% -ным интервалом частот, полученным для этой ветви путем анализа 100 филогений (серый прямоугольник). ( D ) Сравнение частоты LCA (оранжевая линия) с 95% интервалом, полученным для этой ветви посредством анализа 100 филогений (серый прямоугольник).Черные пунктирные линии ограничивают наиболее вероятное время расхождения согласно каждому анализу. Красные пунктирные линии указывают минимальные и максимальные значения, полученные в ходе всех анализов, и ограничивают наиболее вероятное время расхождения, когда все результаты рассматриваются вместе. Эквивалентные результаты, основанные на анализе филогении-2, представлены на рис. S5.

Нулевое ожидание того, что форма зубов эволюционировала нейтрально на протяжении всей филогении гомининов, принимается только в том случае, если расхождение между неандертальцем и современным человеком находится в пределах 0.Интервал от 7 до 1,2 млн лет (рис. 5A и таблица S3), что настоятельно указывает на недопустимость расхождений за пределами этого интервала. Ожидание нейтральной эволюции зубов подтверждается предыдущими исследованиями ( 19 ) и было проверено на смоделированных сценариях, отражающих генетический дрейф и исключающих отбор ( 27 ). Стандартное отклонение (SD) темпов эволюции по дереву достигает своего минимального значения в 0,9 млн лет назад, хотя SD для дерева низки и очень похожи для 0,7–1.Интервал 1 млн. Лет. На рис. 5В показано, что скорости, соответствующие ветви SH и падающей ветви, становятся равными, когда время дивергенции установлено на 0,7–0,8 млн лет назад. Время дивергенции, которое существенно моложе или старше 0,75 млн лет назад, приводит к скоростям эволюции ветви SH или предшествующей ветви, которые чрезвычайно далеки от диапазона вариаций, наблюдаемых для всех других ветвей (рис. 5B). Скорость эволюции на ветви SH попадает в 95% интервал, вычисленный для этой ветви посредством анализа 100 филогений, только когда время расхождения между неандертальцем и современным человеком старше 0.8 млн лет назад (рис. 5В). 95% -ный интервал скоростей для ветки до даты очень широк, поэтому большинство времен расхождения совместимы со значениями, рассчитанными для этой ветви (рис. 5D). Совокупный результат всех этих анализов дает интервал от 0,8 до 1,2 млн. Лет назад как наиболее вероятное время расхождения для ветви SH и ветви современного человека и, следовательно, для линий неандертальцев и современных людей. Повторный запуск этого анализа с использованием дерева MCC, рассчитанного Дембо и его коллегами ( 20 ), дает даже более ранние времена расхождения с минимальным временем расхождения, равным 0.9 млн лет назад рассчитано по совокупности всех анализов (рис. S5 и таблица S4).

Предполагая, что расхождение между неандертальцем и современным человеком произошло примерно 600 тыс. Лет назад, возраст, на который, по-видимому, указывают самые последние молекулярные исследования ( 16 , 17 , 22 ), будет иметь некоторые последствия для эволюции зубов SH. тарифы. Во-первых, стандартное отклонение всех показателей филогении гомининов будет показывать необычно высокое значение (хотя все еще в пределах полученного диапазона) по сравнению с 1000 смоделированными нейтральными сценариями ( P = 0.033 для филогении-1; см. рис. 5A и таблицу S3). Во-вторых, предположение, что время дивергенции составляло 600 тыс. Лет назад, означало бы, что скорость эволюции в ветви SH была самой высокой во всей филогении гомининов (в 1,3 раза больше, чем скорость эволюции в ветви LCA). Согласно анализу 100 различных филогений, взятых из исследования Дембо ( 20 ), этот сценарий маловероятен (рис. 4). Кроме того, скорость эволюции на ветви SH в сценарии дивергенции 600 тыс. Лет назад составила бы 1,99, значение, которое находится далеко за пределами 95% -ного интервала скоростей, наблюдаемых для ветви SH при анализе 100 деревьев Дембо (рис.5С). Скорость эволюции 1,99 на ветви SH ниже, чем одно значение, наблюдаемое при анализе 100 филогений (2,05), что является явным выбросом по сравнению со всеми скоростями, наблюдаемыми на этой ветви (Рис. 4B). Результаты различных анализов, проведенных в этом исследовании, показывают, что SH-гоминины должны быть отделены по крайней мере на 400 тыс. Лет назад от LCA неандертальца и современного человека, чтобы поддерживать скорость эволюции SH-гомининов в пределах диапазона вариаций, наблюдаемых для других гомининов. Таким образом, делая ок.Дивергенция в 600 тыс. Лет, совместимая с аналогичными темпами эволюции между SH-гомининами и другими видами гомининов, потребует ок. 200 тыс. Лет для SH-гомининов, что значительно моложе всех значений, рассчитанных для этой популяции ( 12 14 ).

ОБСУЖДЕНИЕ

Скорость эволюции, измеренная в этом исследовании, сильно зависит от длины ветвей, так что короткие ветви, накапливающие сильные зубные изменения, приводят к высокой скорости. Молодое время расхождения между неандертальцами и современными людьми приводит к коротким ветвям SH и, в свою очередь, к наблюдаемым высоким темпам эволюции SH-гомининов.Следовательно, если бы SH-гоминины были моложе 430 тыс. Лет назад, то они были бы совместимы со временем расхождения между неандертальцами и современными людьми после 800 тыс. Лет назад, не требуя чрезвычайно высоких темпов эволюции. В частности, ca. Дивергенция 600 тыс. Лет назад, указанная самыми последними молекулярными оценками ( 22 ), была бы совместима со средними темпами эволюции для выборки SH, если бы эти гоминины были всего в 200 тыс. Лет назад. Этот сценарий заслуживает рассмотрения, поскольку в прошлом вопрос о возрасте SH-гомининов был спорным ( 2 , 12 , 13 ).Однако самые последние исследования, основанные на люминесценции и палеомагнитном анализе, надежно указывают на возраст этих окаменелостей 430 тыс. Лет назад ( 14 ). Эта цифра дополнительно подтверждается генетическим анализом, датирующим SH-гоминины примерно 400 тыс. Лет назад на основе длины его ветви мтДНК, с 95% -ным максимальным интервалом апостериорной плотности от 150 до 650 тыс. Лет назад ( 15 ). Этот интервал, по общему признанию, довольно широк, и это означает, что SH-гоминины могут быть моложе 430 тыс. Лет назад. Однако на основе этих данных они могут быть значительно старше, что неизбежно подтолкнет расхождение между неандертальцем и современным человеком к еще более древнему периоду.Дополнительные доказательства, подтверждающие ок. Возраст 430 тыс. Лет для образца SH получен из других молекулярных исследований. Эти исследования демонстрируют, что SH-гоминины имеют ту же линию мтДНК, что и денисовцы, которая отличается от линий мтДНК неандертальца и современного человека ( 15 ). Согласно Посту и его коллегам ( 28 ), линия мтДНК Denisovan-SH является примитивной для клады неандертальцев, а классическая линия мтДНК неандертальцев была получена задним ходом через событие интрогрессии от современных людей, которое они датируют 219-468 тыс. Лет назад. назад.Если эта модель верна, то популяция SH должна предшествовать этому событию интрогрессии, что дает дополнительную поддержку возрасту> 400 тыс. Лет для выборки SH. Следовательно, на основе современных комбинированных геохронологических и молекулярных данных, возраст гомининов SH около 430 тыс. Лет является наиболее разумным предположением, поэтому требуются другие объяснения для объяснения настоящих результатов. Также в отношении длины ветвей можно утверждать, что аналитический подход, представленный в этом исследовании, отдает предпочтение более старому времени расхождения неандертальца и современного человека, потому что он предполагает большую длину ветвей (и, следовательно, более медленные темпы эволюции) для других видов гомининов.Это потенциальное смещение объясняется использованием 100 различных филогенетических сценариев, основанных на байесовском анализе филогенетических отношений гомининов ( 20 ), некоторые из которых показывают длины ветвей для других видов, которые такие же короткие, как SH-ветвь. Тем не менее, анализ, основанный на этих 100 филогенезах, также показывает, что время расхождения между неандертальцем и современным человеком моложе 800 тыс. Лет назад очень маловероятно. Это означает, что методологические артефакты вряд ли повлияют на наблюдаемые результаты, поэтому для их объяснения требуются биологические факторы.

Высокая скорость эволюции ранних неандертальских популяций, представленных SH-гомининами, которая была бы необходимым следствием дивергенции неандертальца и современного человека после 800 тыс. Лет назад, может быть результатом сильного отбора по форме зубов у этих гомининов. Хотя этот сценарий изначально правдоподобен, также очень маловероятно, что эволюция раннего сегмента линии неандертальцев характеризовалась быстрой эволюцией зубов, которая не наблюдается ни у одного другого вида гомининов ( 19 ) (даже у тех из них, что и у гомининов). род Paranthropus , которые характеризуются крайней степенью постканиновой мегадонтии).Такой сценарий сильного отбора маловероятен по двум причинам. Во-первых, различия в форме зубов, наблюдаемые у SH-гомининов в отношении гипотетической наследственной морфологии ( 3 ), а также в отношении более примитивных конфигураций, наблюдаемых у Homo erectus , не имеют функционального значения и считаются таковыми. быть избирательно нейтральным ( 29 ). Следовательно, очень маловероятно, что эти зубные вариации были целью сильного отбора, подразумеваемого необычно высокими темпами эволюции.Во-вторых, зубной ряд SH-гомининов — единственная область скелета, которая демонстрирует высоко производное состояние. Другие черты, связанные с жеванием, такие как анатомия лица и нижней челюсти, демонстрируют явное неандертальское сходство с SH-гомининами, но не гипер-производное состояние неандертальцев, обнаруженное в их зубных рядах ( 10 ), что подразумевает более низкие темпы эволюции. Сценарий сильного отбора, связанный с некоторым функциональным преимуществом, почти наверняка будет включать другие области черепа, кроме зубов. Переходное состояние большинства других признаков у SH-гомининов, скорее всего, указывает на то, что отбор не был основным фактором, движущим дентальную эволюцию SH.

Как уже упоминалось, у SH-гомининов анатомия зубов не является репрезентативной для неандертальцев в среднем, но существенно более производная. Это наблюдение, однако, не влияет ни на дизайн этого исследования, ни на его результаты. Дизайн исследования не требует, чтобы анатомия зубов SH была репрезентативной для более широкого диапазона вариаций неандертальцев. Скорее, он просто основан на том факте, что, независимо от того, репрезентативны они или нет, зубные черты SH эволюционировали из того же предкового состояния, из которого развивались классические неандертальцы и в течение периода времени, которое отделяет SH-гомининов от неандертальцев и современных людей. Таким образом, это исследование не рассматривает анатомию зубов SH как представителя классических неандертальцев, а только как форму зубов, которая была характерна для популяции SH, учитывая ее эволюционные отношения и геологический возраст. Принимая во внимание это нерепрезентативное и высоко производное состояние зубного ряда SH, правдоподобное объяснение быстрой эволюции зубов, подразумеваемое расхождением после датирования 800 тыс. Лет назад, указывает на анатомию зубов SH как результат сильного эффекта основателя. В этом сценарии предковые популяции SH-гомининов имели бы другую морфологию зубов, одна из которых была бы зафиксирована в выборке SH, потому что она присутствовала у их прямых предков.Этот сценарий теоретически возможен и может быть подтвержден географическим положением гомининов SH на Пиренейском полуострове, где они, возможно, были более изолированы, чем другие популяции неандертальцев из континентальной Европы. Однако этот сценарий предполагает, что стоматологический фенотип SH присутствовал, хотя и в небольшой пропорции, в популяциях раннего среднего плейстоцена, от которых произошли гоминины SH. Из-за нехватки летописи окаменелостей этот сценарий нельзя исключать в настоящий момент, но современные гипотезы окаменелостей не показывают эти производные зубные конфигурации у каких-либо других гомининов, предшествующих популяции SH, что опровергает эту гипотезу.

Еще одним фактором, который может потенциально повлиять на эволюцию зубов у SH-гомининов, является гибридизация. На основе генетического анализа теперь подтверждено, что гибридизация происходила между неандертальцами, современными людьми и денисовцами ( 30 , 31 ), вероятно, довольно часто. Таким образом, можно с уверенностью предположить, что разные линии гомининов среднего плейстоцена гибридизировались при контакте. Высокая степень мозаицизма, обнаруженная в популяции SH, при этом некоторые черты показывают полностью неандертальское состояние, а другие — гораздо более примитивное состояние, потенциально может указывать на гибридное происхождение. Однако SH-гоминины не обнаруживают аномалий скелета, которые были обнаружены у гибридов ранних поколений живых видов приматов, таких как наличие повернутых или лишних зубов и шовных аномалий в нейрокраниуме и лице ( 32 ). В то время как гибридное происхождение SH-гомининов, безусловно, возможно, эта гипотеза не имеет особенно убедительной поддержки, основанной на их анатомии или на том, что мы в настоящее время знаем о фенотипических эффектах гибридизации.

Самое простое объяснение результатов, представленных в этом исследовании, заключается в том, что неандертальцы и современные люди расходились до 0.8 млн лет назад, что сделало бы скорость эволюции зубных рядов SH примерно сопоставимой с таковой у других видов. Это время расхождения значительно старше, чем самые последние оценки, основанные на aDNA ( 16 , 17 , 22 ), но не так уж далеко от предыдущих оценок, датирующих это расхождение на отметке примерно в 1 час. 800 тыс. Лет назад ( 24 ). Основанные на аДНК оценки времени расхождения между неандертальцами и современными людьми существенно различаются ( 6 , 17 , 22 , 24 ), что указывает на то, что строгое прочтение этих значений не может определять интерпретацию ископаемых останков гомининов. .Кроме того, время дивергенции, полученное из анализа стоматологических показателей, поразительно похоже на время дивергенции линий мтДНК SH-денисовцев и неандертальцев и современного человека. Расхождение между обеими линиями мтДНК оценивается примерно в. 1 млн лет назад, с 95% -ным максимальным интервалом задней плотности от 0,7 до 1,4 млн лет назад ( 15 ). Как объяснялось выше, линия мтДНК неандертальцев считается результатом относительно недавнего события интрогрессии от современных людей ( 28 ).Следовательно, время дивергенции линий SH и современных человеческих мтДНК гораздо точнее отражает дивергенцию неандертальцев и современных людей, чем время расхождения между линиями мтДНК неандертальца и современного человека, которое отражает максимальное время для события интрогрессии и является существенно моложе. Дивергенция мтДНК SH-гомининов и современного человека, однако, все еще старше, чем время расщепления популяции, рассчитанное на основе яДНК между современной человеческой линией и линией неандертальцев-SH-денисовцев, которое, по недавним подсчетам, составляло 550-765 тыс. Лет назад ( 16 , 17 ) или с 520 по 630 тыс. Лет назад ( 22 ).Время дивергенции мтДНК указывает на момент, когда обе линии мтДНК начали независимо накапливать мутации, тогда как время разделения популяции представляет собой последний раз, когда обе группы обменивались генетическим материалом друг с другом посредством дивергенции и, таким образом, имеет тенденцию быть моложе, чем оценки мтДНК. Результаты настоящего исследования предполагают, что фенотипическая дифференциация в морфологии зубов началась до того, как разделение населения между неандертальцами и современными людьми было завершено.Хотя возможно, что эти расхождения являются результатом различных методологических подходов, используемых в различных исследованиях генетической и фенотипической изменчивости ( 7 , 16 , 17 , 22 ), также возможно, что эти различия отражают разные биологические различия. сигналы, связанные с разными чертами характера. В этом случае более старые временные рамки фенотипического расхождения, предполагаемые вариациями зубов, будут иметь глубокие последствия для нашей интерпретации ископаемых останков гомининов и взаимоотношений между ископаемыми образцами, особенно для тех популяций и периодов времени, для которых аДНК недоступна.

Если бы фенотипическая LCA неандертальцев и современных людей была старше 800 тыс. Лет назад, это означало бы, что все ископаемые гоминины моложе этого возраста больше не являются подходящими кандидатами на эту наследственную позицию. Однако некоторые окаменелости моложе этого возраста часто считаются частью последних общих предков неандертальцев и современных людей ( 2 , 8 ). Эти окаменелости, обычно относящиеся к Homo heidelbergensis , включают европейские и африканские образцы, такие как Мауэр, Араго, Петралона, Бодо, Кабве и т. Д., а может быть, и азиатские экземпляры. Если неандертальцы и современные люди разошлись раньше, чем 800 тыс. Лет назад, то все эти окаменелости должны быть связаны либо с неандертальцами, либо с современными людьми, либо они могут быть частью родственной линии для них обоих. Эти окаменелости, однако, не могут быть предками неандертальцев и современных людей, потому что они возникли после своего эволюционного расхождения. Эволюционные отношения между этими окаменелостями как с неандертальцами, так и с современными людьми были бы возможны только в том случае, если бы они были частью более древнего предкового вида, который сохранился во времени как реликтовый вид после фактического разделения обеих ветвей.Фактически, этот сценарий означал бы, что окаменелости H. heidelbergensis являются частью сестринской группы неандертальцев и современных людей, но что эволюционное изменение их предполагаемых предковых популяций не связано с видообразованием.

Было высказано предположение, что процесс получения полностью неандертальской анатомии, возможно, начался раньше и, возможно, был более постепенным, чем процесс получения полностью анатомически современной человеческой конфигурации, которая не появляется в летописи окаменелостей примерно до н.э.200 тыс. Лет назад ( 4 ). Зарождающиеся современные человеческие черты наблюдаются в летописи окаменелостей ок. 300 тыс. Лет назад ( 33 ), цифра, которая соответствует недавним основанным на ДНК оценкам современного человеческого расхождения 260–350 тыс. Лет назад ( 18 ). Это контрастирует с наблюдением полностью неандертальцев (которых можно даже считать гипернеандертальцами) 430 тыс. Лет назад у гомининов SH. Несоответствие между датами, когда в летописи окаменелостей гомининов наблюдается явное родство неандертальцев и современных людей, может показаться, что указывает на разную скорость эволюции в обеих линиях, что повлияет на выводы, сделанные в рамках настоящего исследования.Однако они могут просто отражать неполноту летописи окаменелостей, особенно для современной человеческой линии, поскольку образец SH — единственная ранняя неандертальская популяция, представленная в летописи окаменелостей, которая показывает такой производный зубной ряд. Новые находки окаменелостей, а также переоценка ранее известных, необходимы для того, чтобы пролить больше света на процесс получения полностью анатомически современной формы человека.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Схема эксперимента

Основная цель этого исследования состояла в том, чтобы измерить темпы эволюции формы зубов на ранней стадии эволюции неандертальской линии и сравнить их с темпами, наблюдаемыми у других видов гомининов.Расчет этих темпов эволюции предполагал различные филогенетические сценарии и разное время расхождения между неандертальцами и современными людьми, чтобы определить влияние этих источников неопределенности на предполагаемые скорости. Результаты этого анализа имеют важное значение в отношении механизмов, способствующих эволюции зубов у ранних неандертальцев, наиболее вероятного времени расхождения между неандертальцами и современными людьми и, в более общем плане, интерпретации летописи окаменелостей среднего плейстоцена.План эксперимента состоял из трехэтапного процесса, включая (i) расчет формы зубов у предков во всех узлах филогении гоминина с использованием подхода mvBM ( 25 ), (ii) расчет количества изменений на каждую ветвь. в качестве разницы между формами зубов у потомков и предков, и (iii) сравнение наблюдаемых величин изменений на ветвь с ожидаемыми при моделировании эволюции с постоянной скоростью по всем ветвям филогении ( 19 ).Данные и методологические подходы, использованные в исследовании, подробно описаны ниже.

Данные

Видоспецифическая форма зубов была рассчитана для восьми видов гомининов, для которых были доступны данные об изменении всех постклыковых зубов (верхних и нижних премоляров и моляров). В эту выборку вошли Australopithecus afarensis , Australopithecus africanus , Paranthropus robustus , Paranthropus boisei , Homo habilis (в том числе H.habilis и Homo rudolfensis ), H. erectus (включая только азиатские экземпляры), образец SH (как представитель H. neanderthalensis ) и H. sapiens (таблица S1). Классические неандертальцы не были включены в анализ, потому что их точное родство с окаменелостями SH (которые могут быть непосредственно предковыми или сестринскими по линии неандертальцев) в настоящее время неизвестно ( 16 ). Анализ окаменелостей SH считается значительно более актуальным, чем анализ классических неандертальцев, потому что они ближе к точке расхождения между неандертальцами и современными человеческими линиями, что позволяет провести более детальный анализ.Когда используются классические неандертальцы, время дивергенции 500 тыс. Лет назад дает среднюю скорость эволюции для ветви неандертальцев и результаты, которые в целом согласуются с ожиданиями аналогичных темпов эволюции для всех ветвей филогении гомининов (рис. S6) ( 19 ). Дивергенция в 500 тыс. Лет назад, однако, моложе самой молодой границы, предоставленной самыми последними молекулярными и анатомическими оценками, что указывает на то, что окаменелости, находящиеся дальше от точки расхождения неандертальца и современного человека, не обеспечивают достаточного разрешения для определения времени этого расхождения.

В анализ были включены образцы с четкой таксономической принадлежностью к одной из этих восьми групп. Размер выборки для разных видов существенно различается, в большинстве случаев варьируется от 3 до 53 особей на вид и положение зубов, и только три случая, когда размер выборки меньше (таблица S2): M 2 и M 3 для A . afarensis ( n = 2) и P 4 для A. africanus ( n = 1). Если рассматривать все зубы вместе, размер выборки варьировался от 5 человек, представленных как минимум одной позицией зубов ( P.robustus и P. boisei ) до 53 особей, представленных по крайней мере одним положением зубов ( H. sapiens ), с промежуточными значениями для других групп (таблица S2). Однако такое изменение размеров выборки вряд ли повлияет на результаты, поскольку предыдущие анализы, основанные на складывании (уменьшение всех размеров выборки до n = 3) и загрузке, показали, что постоянные темпы эволюции формы зубов, на которые опирается настоящее исследование очень устойчивы к размеру и составу выборки ( 19 ). Вариация формы была описана с использованием конфигураций ориентиров и полуметок, размещенных на окклюзионных фотографиях премоляров и коренных зубов, которые использовались в предыдущих исследованиях зубных вариаций гомининов (рис. S1) ( 3 , 19 ). Наложение прокруста ( 34 ) использовалось для удаления неформальных вариаций, соответствующих положению, размеру и ориентации образцов. Наложение прокруста выполнялось для каждого положения зуба отдельно, но информация, относящаяся к каждому зубу, позже была объединена для изучения всех постканиновых вариаций вместе ( 19 ).Был проведен анализ основных компонентов (PC) наложенных координат Прокруста, и оценки PC были использованы в последующих расчетах. Различия в размере зубов не учитывались, потому что они гораздо более неоднородны, чем вариации в форме зубов, причем некоторые ветви демонстрируют значительно более высокую скорость, чем другие ( 19 ). Стоматологические черты считаются хорошим показателем нейтральных генетических данных, потому что они, как правило, сильно наследуются и избирательно нейтральны ( 29 ).

Филогенез

Неопределенность в отношении филогенетических взаимоотношений гомининов решалась по-разному. Сначала были изучены два различных филогенетических сценария (рис. S3). Первая (филогения-1) основана на датах первого и последнего появления различных видов гомининов ( 35 ) и отражает наиболее широко согласованные филогенетические отношения гомининов ( 19 , 36 ). Второй (филогения-2) соответствует MCC-дереву, полученному в рамках ранее опубликованного байесовского анализа филогенетических взаимоотношений гомининов ( 20 ).Эта филогения была сокращена, чтобы включить только те виды, для которых были доступны данные об изменении формы зубов. Основные различия между первым и вторым филогенетическими сценариями касаются общей длины дерева, измеренной как святоотеческое расстояние (сумма всех ветвей, разделяющих два заданных вида) между самым базальным узлом и вершиной H. sapiens (приблизительно 4,5 млн лет для филогении-1 и 6,2 млн лет для филогении-2), длины различных ветвей и филогенетического положения A.africanus , который помещен в сестринскую группу для всех видов Paranthropus и Homo в первой филогении ( 19 ) и только для Paranthropus во второй ( 20 ). Филогенетическое положение A. africanus , однако, нестабильно в различных исследованиях, поскольку предыдущие анализы устанавливали его как сестринскую группу только для Homo ( 21 ). На основе предыдущих исследований, демонстрирующих эволюционные отношения между неандертальцами и SH-гомининами ( 16 ), филогенетическая ветвь, ведущая к неандертальцам, была заменена ветвью, ведущей к SH.Это было достигнуто путем изменения длины неандертальской ветви таким образом, чтобы она отражала геологический возраст для выборки SH 430 тыс. Лет назад ( 14 ).

Используя эти две филогении, возраст LCA неандертальца и современного человека был изменен с 500 тыс. Лет назад до возраста узла, отделяющего H. erectus от линии неандертальца и современного человека (1,7 млн ​​лет в филогении-1 и 2,6 млн лет назад). в филогении-2) с интервалом 100 тыс. лет. Возраст всех остальных узлов — и, следовательно, длина других ветвей — оставался постоянным.Вариация темпов эволюции во всех этих различных сценариях времени дивергенции была оценена и сравнена с результатами, основанными на анализе различных филогенетических топологий. Использование этих различных филогенетических деревьев явно обратилось к филогенетической неопределенности путем пересчета темпов эволюции в выборке из 100 деревьев, которые были случайным образом отобраны из полной выборки из 60 000 филогений, созданных в результате байесовского анализа Дембо ( 20 ). Эта выборка исключила филогении, в которых одна или несколько ветвей имели длину короче 70 тыс. Лет назад, что является самой короткой возможной длиной ветви SH, полученной при датировании LCA неандертальца и современного человека 500 тыс. Использование этих различных филогений обратилось к неопределенности, связанной с неясными филогенетическими отношениями и длиной ветвей. Что касается первого, то разные филогении восстанавливают разные эволюционные отношения между видами. Что касается последнего, то длина веток у всех деревьев разная. Поэтому, хотя в исследовании Дембо и его коллег не было специально моделирована неопределенность, связанная с возрастом каждого ископаемого вида, эта неопределенность неявно включена в расчеты из-за разной длины ветвей, восстановленных в их выборке деревьев.Скорость эволюции была рассчитана для этой выборки из 100 деревьев, а диапазоны вариаций сравнивались с результатами, полученными при анализе двух ранее описанных филогенетических контекстов. Возможные события гибридизации между линиями не были включены в эти расчеты.

Статистический анализ: предки и скорость эволюции

Значения предков в различных узлах филогении гомининов были рассчитаны с использованием подхода mvBM ( 25 ), который ослабляет предположение, что разные ветви эволюционировали с постоянной скоростью, следуя стандартному броуновскому подходу. модель движения (BM).Биологически этот подход объясняет тот факт, что предки, возможно, не были промежуточными по форме между своими потомками, но были больше похожи на одну из групп потомков ( 4 ). Эта ситуация будет отражаться в различных темпах эволюции по дереву, при этом некоторые ветви демонстрируют застой, а другие — быструю эволюцию. Посредством моделирования было продемонстрировано, что подход mvBM дает результаты, эквивалентные стандартному BM в стандартных условиях BM, и существенно превосходит стандартные подходы BM, когда происходят эволюционные всплески (очень высокие скорости эволюции за короткие периоды времени) ( 37 ).Кроме того, результаты этого исследования показывают, что стандартные подходы BM ( 38 ) не позволяют точно восстановить дифференциальные скорости эволюции, которые возникают в результате изменения длины ветвей, особенно для очень ранних времен дивергенции, поскольку очень похожие SD скоростей получаются при изменении дивергенции. раз (таблицы S3 и S4). Ожидается, что короткие ветви будут демонстрировать высокие темпы эволюции, поскольку они накапливают фенотипические изменения за очень короткий период времени. Следовательно, результаты, полученные с помощью стандартных подходов BM, противоречат здравому смыслу, потому что они дают одинаковые скорости эволюции независимо от длины ветви (таблица S3).Как следует из этих результатов, стандартные подходы BM не точно восстанавливают эволюционные всплески, которые ограничены одной ветвью, но они распределяют изменения по соседним ветвям. Ценности предков были рассчитаны с использованием специфичных для видов оценок ПК с помощью пакета Evomap R ( 39 ). Все оценки ПК были включены в расчеты, и позже они были преобразованы в координаты древних памятников. Расстояния Прокруста между морфологиями потомков и предполагаемыми предками сравнивались с расстояниями Прокруста между видами-потомками и предками, полученными при моделировании эволюции с постоянной скоростью по всей филогении гомининов 1000 раз ( 27 ).Для этого моделирования коэффициент дисперсии для каждого поколения был рассчитан на основе имеющихся данных с использованием метода обобщенных наименьших квадратов (GLS) ( 38 ). Эти расчеты проводились с использованием пакетов Morphometrics ( 40 ) и Phylogenetics ( 41 ) для Mathematica и следовали преобразованию филогенетического дерева гомининов в поколения с постоянным временем генерации 25 лет. Для каждой ветви рассчитывалось соотношение между наблюдаемой величиной изменения и соответствующей смоделированной величиной изменения в нейтральном сценарии, где все виды эволюционировали с одинаковой скоростью.Отношения ниже 1 указывают на ветви, которые развиваются медленно и претерпевают стазис, тогда как отношения выше 1 указывают на быструю эволюцию и, когда они очень высокие, вероятно, указывают на направленный отбор ( 19 ). Для простоты это соотношение наблюдаемых и смоделированных изменений на ветку во всем тексте называется скоростью, но это не показатели в строгом смысле слова, поскольку они не представляют изменение в единицу времени.

Результаты, полученные при вычислении темпов эволюции при допущении различного времени расхождения для неандертальцев и современных людей, сравнивались по-разному.Некоторые из этих сравнений включали показатели по всему дереву, тогда как другие были сосредоточены на ветвях, напрямую связанных с расхождением неандертальца и современного человека. В первом случае SD для всех скоростей в каждом дереве сравнивались со значениями, смоделированными в сценариях с постоянной скоростью, и значения P были рассчитаны как доля смоделированных SD, превышающих наблюдаемое SD для каждого времени расхождения. В последнем случае скорости эволюции ветви SH и ветви ветви (LCA) сравнивались друг с другом и со скоростями, наблюдаемыми в других ветвях, а также с соответствующими скоростями, полученными при анализе 100 различных филогенетических топологий.Эти разнообразные сравнения предоставили разные возрастные интервалы для LCA неандертальца и современного человека. Область перекрытия этих различных оценок считается наиболее вероятным временем расхождения между неандертальцами и современными людьми, а нижняя граница интервала интерпретируется как минимальный возраст их LCA.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/5/5/eaaw1268/DC1

Рис.S1. Конфигурации ориентиров и полуотметок, используемых для описания формы боковых зубов.

Рис. S2. Анализ основных компонентов формы зубов гомининов.

Рис. S3. Сравнение двух филогенетических сценариев, использованных в этом исследовании.

Рис. S4. Связь между скоростью эволюции на ветви SH и ветви LCA в филогении-2.

Рис. S5. Скорее всего, время расхождения между неандертальцем и современным человеком получено из анализа дерева MCC Дембо и его коллег (филогения-2).

Рис. S6. Анализ оценок на основе классических неандертальцев и филогении-1.

Таблица S1. Список образцов, использованных в этом исследовании.

Таблица S2. Размер выборки по видам и положению зубов.

Таблица S3. Сравнение наблюдаемых и смоделированных SD скоростей по дереву для различных времен расхождения SH – современного человека.

Таблица S4. Сравнение наблюдаемых и смоделированных SD скоростей по дереву для различного времени расхождения SH-современного человека, рассчитанного с использованием Dembo et al .филогенетическое дерево (филогения-2).

Ссылки ( 42 46 )

Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинальная работа правильно процитировано.

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

  1. 9045 ↵
  2. 9045
  3. 9045
  4. D.Strait, F. E. Grine, J. G. Fleagle, в Handbook of Paleoanthropology, W. Henke, I. Tattersall, Eds. (Springer Berlin Heidelberg, Берлин, Гейдельберг, 2015 г.), стр. 1989–2014.

Благодарности: Я благодарен Д. Полли за помощь, примененную ранее, и J. Smaers. Б. Вуд за вклад в филогенетические отношения гомининов; М.Дембо за разделение филогении гомининов, полученной в результате байесовского анализа филогении гомининов; А. Андресу и К. Посту за дискуссии о яДНК, мтДНК и времени расхождения зубов; А. Госвами и К. Солиго за материально-техническую поддержку. Я благодарю следующих людей за облегчение доступа к материалам: JM Bermúdez de Castro, JL Arsuaga, E. Carbonell, всех других членов исследовательской группы Atapuerca, O. Kullmer, B. Denkel, F. Schrenk, MA de Lumley, A Виале, И. Таттерсолл, Г.Сойер, Дж. Гарсия, Й. Хайле-Селассие, Л. Джеллема и М. Ботелла. Финансирование: Исследование было поддержано стипендией UCL-Excellence. Вклад авторов: A.G.-R. разработал исследование, собрал данные, проанализировал данные, интерпретировал результаты и написал статью. Конкурирующие интересы: Автор заявляет, что у нее нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у автора.

  • Copyright © 2019 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по лицензии Creative Commons Attribution License 4.0 (CC BY).

Ковариация скорости эволюции мейотических белков в результате колебания эволюционного давления у дрожжей и млекопитающих

Abstract

Скорость эволюции функционально связанных белков имеет тенденцию изменяться параллельно с течением времени.Такая ковариация скорости эволюции (ERC) является сигнатурой коэволюции на основе последовательностей и потенциально полезной сигнатурой для вывода функциональных взаимосвязей между белками. Одна из основных гипотез, объясняющих ERC, состоит в том, что колебания эволюционного давления, действующего на целые пути, вызывают параллельные изменения скорости для функционально связанных белков. Чтобы исследовать эту гипотезу, мы проанализировали ERC в репарации несоответствия ДНК (MMR) и белки мейоза на филогенезе 18 видов дрожжей и 22 видов млекопитающих.Мы идентифицировали сильную сигнатуру ERC между восемью дрожжевыми белками, участвующими в мейотическом кроссинговере, которая, по-видимому, является результатом ослабления ограничений, особенно в Candida glabrata . Эти и другие мейотические белки в C. glabrata показали заметное ускорение скорости, вероятно, из-за его явно клональной репродуктивной стратегии и, как следствие, нечастого использования мейотических белков. Эта корреляция между изменением репродуктивного режима и изменением ограничений поддерживает эволюционное происхождение давления для ERC.Более того, мы представляем доказательства аналогичного ослабления ограничений у дополнительных видов патогенных дрожжей. Белки MMR и мейоза млекопитающих также показали статистически значимые ERC; однако не было сильного ERC между перекрестными белками, как это наблюдалось у дрожжей. Скорее, у млекопитающих ERC проявляется разными путями, такими как piRNA-опосредованная защита против мобильных элементов. В целом, если за ERC ответственны колебания эволюционного давления, это может выявить функциональные взаимосвязи внутри целых белковых путей, независимо от того, взаимодействуют ли они физически или нет, до тех пор, пока существуют вариации в ограничении этого пути.

Вычислительные подходы все чаще используются для определения функции белков. Один из таких подходов, ковариация скорости эволюции (ERC), ищет пары белков с коррелированными изменениями скорости эволюции (Clark et al. 2012). Этот метод основан на наблюдении, что функционально связанные белки имеют тенденцию испытывать параллельное увеличение или уменьшение скорости по ветвям филогенетического дерева (Goh et al. 2000; Pazos and Valencia 2001). ERC сравнивает скорости между последовательностями полноразмерных белков, и не следует путать их с методами поиска совместно эволюционирующих остатков.На практике ERC рассчитывается как коэффициент корреляции между специфичными для ветвления скоростями одного белка по сравнению с другого, так что значение единицы представляет идеальную ковариацию скорости, а значение, близкое к нулю, представляет небольшую ковариацию или ее отсутствие. Общее наблюдение состоит в том, что значения ERC между функционально несвязанными белками имеют распределение с центром в нуле с дисперсией на положительные и отрицательные коэффициенты корреляции, в то время как пары белков в общем пути, комплексе или функции имеют тенденцию иметь положительно коррелированные показатели (Clark et al. 2012). Этот положительный сдвиг между родственными белками формирует основу для функциональных выводов.

Несколько усовершенствований были сделаны для улучшения способности ERC определять функционально родственные белки. Основное улучшение состоит в том, чтобы исключить длину ветки из основного дерева видов; это преобразование позволяет анализировать только изменение скорости, происходящее на каждой ветви, и обеспечивает измеримое увеличение способности различать физически взаимодействующие пары белков (Sato et al. 2005; Pazos et al. 2005; Канн и др. 2007; Шапиро и Альм 2008). Методы кодирующей последовательности также были исследованы, чтобы использовать преимущества скорости синонимичных нуклеотидов для нормализации скорости ветвления (Fraser et al. 2004; Clark et al. 2009; Clark and Aquadro 2010). Хотя эти улучшения увеличили возможности для вывода функциональных взаимосвязей, ценность функционального вывода ERC еще предстоит продемонстрировать, поскольку не было экспериментального подтверждения какого-либо нового вывода.Частично это связано с тем, что один запрос белка ко всему протеомуу включает в себя несколько тысяч тестов, так что даже небольшой процент ложных срабатываний дает непреодолимое количество выводов для многих экспериментальных систем. Одна из основных областей для улучшения — это наше понимание происхождения ERC, чтобы можно было делать более точные интерпретации (Lovell and Robertson 2010).

Компенсаторная эволюция между физически взаимодействующими белками уже давно считается причиной ERC (Goh et al. 2000; Пазос и Валенсия 2001). Подтверждая эту гипотезу, эволюция вблизи интерфейсов взаимодействия, как было замечено, несет непропорционально большое количество общего сигнала ERC по сравнению с другими поверхностными остатками, по крайней мере, для некоторых пар белков (Kann et al. 2009). Однако Hakes et al. (2007) не пришел к такому же выводу при изучении интерфейсов дрожжевых белков. Вклад компенсаторной эволюции в ERC, вероятно, варьирует в зависимости от пары белков. Например, партнеры по связыванию, претерпевающие антагонистическую коэволюцию, испытают значительную компенсаторную эволюцию на своем интерфейсе (Clark et al. 2009), тогда как эволюция других пар может в первую очередь зависеть от внешних эволюционных сил и не приведет к концентрации ERC на их границе раздела.

Хотя компенсаторная эволюция, вероятно, вносит вклад в ERC между некоторыми взаимодействующими парами, она может быть второстепенным игроком в отношении паттернов ERC в масштабе протеома. ERC обнаруживается не только между физически взаимодействующими белками; он значительно выше между многими невзаимодействующими, функционально связанными белками, такими как метаболические ферменты и удаленные члены белковых комплексов (Hakes et al. 2007; Хуан и др. 2008; Кларк и др. 2012). Более того, в масштабе протеома сигнал ERC не был локализован внутри белковых субрегионов (Clark et al. 2012). Таким образом, интерпретация ERC как результат компенсаторной эволюции и физического взаимодействия может вводить в заблуждение; он также может упускать из виду потенциально большое количество других типов функциональных взаимодействий. Мы должны рассмотреть другие объяснения ERC, которые могли бы лучше объяснить его протеомную распространенность в широких функциональных группах.

Мы и другие предполагаем, что широкие эволюционные факторы, такие как функциональные ограничения, эффекты уровня экспрессии и адаптивная эволюция, могут привести к ковариации скорости, поскольку их эффекты колеблются во времени для всех белков в функциональной группе (Hakes et al. 2007 ; Кларк и др. 2012). Эта гипотеза эволюционного давления может объяснить ERC между любой парой функционально связанных белков, независимо от того, взаимодействуют ли они физически или нет, и может составлять большую часть наблюдаемых ERC.Однако никаких подтверждающих биологических случаев представлено не было.

Чтобы напрямую обратиться к гипотезе эволюционного давления для ERC, мы исследовали ERC в дрожжевых и млекопитающих mismatch repair (MMR) и белках мейоза, системах, выбранных из-за их полноты функциональной аннотации. Затем мы проанализировали основные сигналы ERC с биологической точки зрения, используя знания об эволюционных давлениях, связанных с конкретными видами. Мы утверждаем, что случаи сильного ERC между этими белками являются результатом колебаний ограничений на мейотические пути, поскольку виды дрожжей изменяют свои репродуктивные стратегии.Примечательно, что это первая биологическая интерпретация ERC, которая демонстрирует гипотезу эволюционного давления.

Материалы и методы

Расчет значений ERC для всего генома у дрожжей и млекопитающих

Начиная с белков Saccharomyces cerevisiae , мы собрали ортологические группы из 18 видов дрожжей, используя программу Inparanoid (Remm et al. 2001) . Исторические родовые названия этих видов в некоторой степени парафилетичны и находятся в состоянии реформирования (Kurtzman 2003).Чтобы избежать путаницы, мы использовали названия родов, найденные в Национальном центре биотехнологической информации (NCBI, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/). В данном исследовании участвовали следующие виды: S. paradoxus , S. mikatae , S. bayanus , Naumovozyma castellii , Candida glabrata , Vanderwaltozyma polysporus , Lachancea kluyver9L. , L. waltii , Kluyveromyces lactis , Eremothecium gossypii , C.tropicalis , C. albicans , C. dubliniensis , C. lusitaniae , C. guilliermondii и Debaryomyces hansenii .

ERC рассчитывается с помощью серии шагов и полностью описан в Clark et al. (2012). Учитывая топологию дерева одного вида (Fitzpatrick et al. 2006), мы оценили длины ветвей для каждого выравнивания белков с помощью программы «aaml» в пакете PAML (Yang 2007). Затем длины ветвей были использованы для расчета ERC.Исследования показали, что удаление части длины ветви, общей для всех белков, улучшает способность идентифицировать функционально родственные белки (Pazos et al. 2005; Sato et al. 2005). По этой причине мы удалили лежащее в основе дерево видов, используя метод оператора проекции Сато, эффективно преобразовав длины ветвей в относительные скорости (Sato et al. 2005). Такие относительные скорости отражают отклонение на конкретной ветви от скорости, ожидаемой от среднего для всего протеома дерева.Поскольку несколько белков отсутствовали у одного или нескольких видов из-за потери генов или отсутствия данных, мы допустили до шести пропущенных видов и пересчитали длины преобразованных ветвей для каждой комбинации отсутствующих видов. Наконец, значение ERC для каждой пары белков было рассчитано как коэффициент корреляции Пирсона ( r ) между их относительными показателями.

Значения ERC у млекопитающих рассчитывались таким же образом. Множественные выравнивания были загружены из набора «knownGene» человека в браузере генома Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC) (http: // genome.ucsc.edu). Мы включили следующие виды, выбранные из-за относительной полноты их геномных последовательностей и их широкого филогенетического интервала: Homo sapiens (человек), Macaca mulatta (макака-резус), Callithrix jacchus (мартышка), Tarsius syrichta ( tarsier), Tupaia belangeri (землеройка), Cavia porcellus (морская свинка), Dipodomys ordii (кенгуровая крыса), Mus musculus (мышь), Rattus norvegicus (крыса), 09 (кролик), Ochotona princeps (пищуха), Sorex araneus (землеройка), Bos taurus (корова), Tursiops truncatus (дельфин), Pteropus vampyrus (мегабат), Equus ), Canis lupus knownis (собака), Choloepus hoffmanni (ленивец), Echinops telfairi (tenrec), Loxodonta africana (слон), Monodelphis domestica 90 010 (опоссум) и Ornithorhynchus anatinus (утконос). Для этого набора из 22 млекопитающих нам потребовалось как минимум 16 общих видов в белковой паре для расчета значения ERC. Топология дерева видов была основана на опубликованных филогении млекопитающих (Murphy et al. 2004).

Анализ белков MMR

Набор белков MMR был выбран на основе экспертных знаний до начала любого анализа (Kunkel and Erie 2005; Hunter 2007). Гены MMR млекопитающих были выбраны как все гены дрожжевого набора, для которых в базе данных Ensembl (http: // www.ensembl.org). Анализы проводились с использованием специальных приложений Perl и статистической среды R (http:///www.r-project.org). Внутри парных белковых матриц (, например, , рисунок 1) мы сгруппировали пары белков с высокими значениями ERC, многократно меняя порядок белков в группах случайного размера и отдавая предпочтение движениям, которые помещают низкие эмпирические значения P рядом с диагональю. Этот метод кластеризации дал последовательные группы для наборов с менее чем ~ 100 белков. Тесты на значительный ERC в группах белков были выполнены с использованием теста перестановки, который сравнивал среднее значение ERC для группы с нулевым распределением 100000 случайных групп белка одинакового размера.Относительные скорости на каждой ветви (ускорения или замедления), как на рисунке 2, были получены из файлов проекции, созданных для расчета ERC (см. Выше). Отрицательное значение указывает на меньшую дивергенцию, чем ожидалось, учитывая уровень этого белка для всех ветвей и пропорциональную длину этой ветви в единице «дерево видов». Названия и описания генов / белков были получены из базы данных генома Saccharomyces (SGD, http://www.yeastgenome.org) или браузера генома UCSC (http: // genome.ucsc.edu) для генов дрожжей и млекопитающих соответственно. Большинство описаний генов млекопитающих основано на RefSeq Summary (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/RefSeq).

Рисунок 1

ERC повышен между перекрестными белками дрожжей. Эта попарная матрица показывает все сравнения между 26 белками MMR и четырьмя дополнительными перекрестными белками. Значения ERC выше диагонали, а эмпирические значения P ниже диагонали. Цвета ячеек ERC варьируются от розового при значениях 0,5 до красного при единице. Ячейки со значением P становятся розовыми при 0,05 и становятся красными при приближении к нулю. Msh5p, Msh5p, Mlh2p и Mlh4p (жирный шрифт) образуют кластер с высоким ERC вместе с дополнительными белками мейотического кроссовера (Zip1, Zip3, Zip4 и Mer3). Клетки, помеченные ND, не определялись, потому что для этой пары было слишком мало общих видов.

Рисунок 2

Мейотические кроссоверные белки быстро эволюционировали в Candida glabrata , тем самым производя повышенный ERC. (A) Диаграмма рассеяния показывает относительные скорости эволюции белков Msh5p и Msh5p по каждой ветви дерева видов.Линия регрессии показывает положительную взаимосвязь между их показателями ( r = 0,937). В этом конкретном примере ERC был повышен в основном из-за двух крайних значений; однако даже после их удаления связь остается положительной и повышенной ( r = 0,50). Некоторые точки помечены ветвью происхождения: Cgla, Candida glabrata ; Ncas, Naumovozyma castellii ; Vpol, Vanderwaltozyma polysporus ; и Klac, Kluyveromyces lactis .(B) Мейотические белки как класс в C. glabrata были значительно ускорены. Гистограмма показывает уровни 127 мейотических белков как их ранги в наборе всех белков в C. glabrata . Имеется значительный избыток мейотических белков, скорость которых увеличилась в ветви, ведущей к C. glabrata (относительная скорость> 50-го процентиля; биномиальный тест P = 0,0021).

Сравнение смещения кодонов у 18 видов дрожжей

Смещение кодонов оценивалось как индекс адаптации кодонов (CAI) (Sharp and Li 1987).Это было сделано, как описано ранее (Clark et al. 2012). Вкратце, мы провели анализ соответствий с помощью программы «codonw» от Джона Педена (http://codonw.sourceforge. net/). Набор предпочтительных кодонов был выведен из набора высокоэкспрессированных S . cerevisiae генов. Это было повторено для всех 18 видов дрожжей с использованием ортологов высокоэкспрессированных генов.

Анализ мейотических белков

В дрожжах мы создали набор мейотических белков с помощью YeastMine (http: // yeastmine.yeastgenome.org), включив все гены с аннотацией онтологии генов «мейоз» (GO: 0007126) или любой из ее дочерних аннотаций (Ashburner et al. 2000; Balakrishnan et al. 2012). То же самое было сделано для мейоза млекопитающих, установленного на веб-сайте Gene Ontology (http://www.geneontology.org/). Мы исследовали ускорение или замедление генов в мейозе, используя относительные скорости каждого белка в каждом виде. Положительная относительная скорость указывает на ускоренный ген, а отрицательная — на замедленный ген, как показано на рисунке 2B.Мы использовали биномиальный тест для каждого вида, как показано на рисунке 4, чтобы проверить нулевую гипотезу о равных пропорциях ускоренной и замедленной скорости. Поскольку у нас была гипотеза об ускорении у Candida glabrata , мы использовали односторонний тест. У млекопитающих мы не ожидали отклонения в любом направлении, поэтому мы использовали двустороннюю форму теста.

Результаты

ERC повышается в определенных функциональных группах белков репарации ошибочного спаривания

Мы исследовали ERC в ДНК MMR, хорошо охарактеризованный, консервативный механизм, который устраняет ошибки неправильного включения ДНК-полимеразы во время репликации ДНК (Kunkel and Erie 2005).В исследовании использовался наш полногеномный набор данных ERC среди 4459 белков, рассчитанный для филогении 18 видов почкующихся дрожжей (Clark et al. 2012), включая Saccharomyces , Kluyveromyces и Candida видов (см. Материалы ). и методы ). Набор MMR включал белки, которые выполняют специфические функции репарации ошибочного спаривания (, например, , Msh3p и Mlh2p), а также белки, которые участвуют во множественных процессах нуклеиновых кислот, такие как компоненты ДНК-полимеразы-дельта ( e. грамм. , Pol3p и Pol32p). В целом, значения ERC между этими 26 белками были значительно выше, чем случайные наборы из 26 белков (медиана r = 0,049; перестановка P = 0,0364). Кроме того, наблюдаемые значения ERC всегда были больше, чем те, которые были сгенерированы после перестановки идентификаторов ветвей (1000 испытаний), демонстрируя, что повышение значений ERC не было вероятным из-за случайной случайности. Эти результаты являются свидетельством того, что значения ERC в белках MMR являются результатом биологических процессов, а не стохастических.

Мы предсказали a priori , что пары белков Msh3p-Msh4p и Msh3p-Msh6p будут иметь высокие значения ERC, потому что они, как известно, образуют комплексы распознавания несовпадений при репарации несовпадений. Удивительно, но их значения ERC были ничем не примечательны у дрожжей, как и многие другие ключевые факторы MMR, которые физически взаимодействуют друг с другом (рис. 1). Повышенные значения ERC были главным образом в единственном кластере белков, участвующих в хромосомном кроссинговере во время мейоза, Msh5p, Msh5p, Mlh2p и Mlh4p (Figure 1) (Hunter 2007).Эти четыре белка, как хорошо известно, образуют основной комплекс, необходимый для мейотического кроссинговера (Wang et al. 1999; Santucci-Darmanin et al. 2000; Santucci-Darmanin et al. 2002; Hoffmann and Borts 2004; Сноуден и др. 2004; Нишант и др. 2008). Msh5p и Msh5p, которые образуют гетеродимер, имели ERC 0,94, что было вторым по величине для этих белков из всего протеома, что соответствует эмпирическому значению P , равному 0.0005. Затем мы исследовали четыре дополнительных функционально связанных белка, кроссоверные белки «ZMM» Zip1p, Zip3p, Zip4p и Mer3p, и обнаружили, что каждый из них показал высокий ERC с этим кластером (Рисунок 1; белки ZMM, рассмотренные в Lynn et al. 2007). Zip2p, признанный белок ZMM, не анализировался из-за его отсутствия у нескольких видов.

Гетеродимер Msh5p-Msh5p действует во время мейоза для стабилизации промежуточных продуктов рекомбинации и способен связывать in vitro с соединениями Холлидея как множественные скользящие зажимы (Borner et al. 2004; Сноуден и др. 2004). Биологические наблюдения клеток привели к модели, в которой Msh5p-Msh5p взаимодействует с Mlh2p-Mlh4p для облегчения кроссинговера, возможно, путем разрешения соединений Холлидея (Ross-Macdonald and Roeder 1994; Hoffmann and Borts 2004; Snowden et al. 2004; Kolas) и др. 2005; Whitby 2005; Nishant и др. 2008). В отличие от специфичных для мейоза ролей Msh5p и Msh5p, роли Mlh2p и Mlh4p более разнообразны. Они также рекрутируются др. Комплексами, такими как Msh3p-Msh6p для Mlh2p-Pms1p ​​и Msh3p-Msh4p для Mlh2p-Mlh4p, чтобы действовать при восстановлении несоответствия (Flores-Rozas and Kolodner 1998; Kunkel and Erie 2005).Однако значения ERC Mlh2p и Mlh4p с этими др. Комплексами не повышены (Figure 1). Это несоответствие между функциональным комплексом и ERC указывает на то, что из всех эволюционных сил, действующих на Mlh2p и Mlh4p, те, которые связаны с мейотическим кроссинговером, оказывают наибольшее влияние на скорость их эволюции у дрожжей. Следовательно, ERC в этом случае выявила только часть признанных функциональных взаимосвязей.

ERC в белках мейотического кроссовера возникает из-за отсутствия ограничений в

C. glabrata .

Чтобы понять высокие значения ERC между этими перекрестными белками, мы исследовали их специфичные для ветвей скорости эволюции. На графике Msh5p против Msh5p высокая корреляция явно связана с несколькими ветвями, а именно общим ускорением на ветви, ведущей к C. glabrata , и замедлением на внутренней ветви (Рисунок 2). Эти же две ветви управляют ERC внутри всего кластера белков мейотического кроссовера (Msh5p, Msh5p, Mlh2p, Mlh4p, Zip1p, Zip3p, Zip4p и Mer3p).Необычно высокая скорость эволюции C. glabrata могла быть результатом адаптивной эволюции или ослабления ограничений. Множественные доказательства указывают на отсутствие ограничений. C. glabrata , комменсал человека, по-видимому, имеет преимущественно клональную репродуктивную стратегию. Он был выделен только как гаплоид и никогда не наблюдался мейоза, несмотря на попытки вызвать спаривание (Muller et al. 2008). Кроме того, популяционное секвенирование выявило лишь редкие случаи рекомбинации между полиморфными маркерами и паттернами неравновесия по сцеплению, что убедительно свидетельствует о клональности (Dodgson et al. 2005; Brisse et al. 2009). Напротив, родственные виды дрожжей, такие как S. cerevisiae , демонстрируют многочисленные доказательства рекомбинации (Liti et al. 2009; Schacherer et al. 2009). В совокупности это свидетельство указывает на то, что хромосомы C. glabrata редко подвергаются кроссинговеру, что, по-видимому, должно приводить к ослаблению ограничений на кроссоверные белки.

Ослабленное ограничение в генах кроссовера C. glabrata также наблюдалось по уменьшению смещения их кодонов.Поскольку смещение кодонов положительно коррелирует с уровнем экспрессии в дрожжах, это предполагает нечастую экспрессию кроссоверных белков (Bennetzen and Hall 1982; Coghlan and Wolfe 2000). Смещение кодонов, измеряемое как CAI, было на самом низком уровне у C. glabrata во всех девяти перекрестных генах по сравнению со всеми 17 другими видами (рис. 3). Однако мы наблюдали, что CAI обычно ниже для всех генов у C. glabrata . Чтобы исправить этот сдвиг в CAI, мы вместо этого изучили рейтинг CAI по всему геному и увидели, что у других видов также был низкий CAI в этих генах (вспомогательная информация, рисунок S1).У этих видов, таких как L. waltii и C. albicans , отсутствуют многие гены ZMM (рис. 4), и, следовательно, они могут не экспрессировать другие члены пути с большой частотой. Когда C. glabrata сравнивается только с видами, которые содержат все девять генов ZMM и которые, как известно, проходят кроссинговер по пути ZMM (, т.е. , видов Saccharomyces ), у него был самый низкий рейтинг CAI для пяти из девять генов, MSh5 , MSH5 , ZIP1 , ZIP2 и MER3 (Рисунок S1).Таким образом, C. glabrata демонстрирует заметную тенденцию к снижению смещения кодонов в генах кроссовера ZMM, что согласуется со снижением уровня экспрессии и связанным с этим ограничением.

Рисунок 3

Кроссовер белки Candida glabrata имеют пониженное кодонное смещение. Показаны значения индекса адаптации кодонов (CAI) для белков мейотического кроссовера для каждого вида. Ячейки закрашены в зависимости от величины смещения, а более темные оттенки указывают на меньшее смещение. Пустые клетки возникают из-за отсутствия генов (см. Рисунок 4).Обратите внимание, что случаи наименьшего отклонения для каждого гена чаще всего встречаются у C. glabrata .

Рисунок 4

Мейотические белки демонстрируют ускоренную эволюцию у нескольких видов дрожжей. Это филогенетическое древо показывает все виды дрожжей, использованные в этом исследовании, и их эволюционные отношения. Мы называем самую нижнюю кладу монофилетической кладой Candida , начиная с C. tropicalis . Три верхних вида Candida являются обычными патогенами человека, в то время как нижние три являются патогенами лишь изредка или редко.Обратите внимание, что Candida glabrata , еще один патоген, отдаленно родственен другим видам Candida . Первый столбец данных содержит видоспецифичные P -значения для ускоренной эволюции 128 мейотических белков (тест биномиального знака). Темная заливка отражает статистическую значимость, а более светлая заливка указывает на тенденцию к ускорению. Во втором столбце показано количество мейотических генов из 128, которые не были обнаружены. Клетки заштрихованы в зависимости от доли потерянных генов.В третьем столбце показано количество отсутствующих генов из семи в пути интерференционно-зависимого кроссовера, гены «ZMM» MSh5 , MSH5 , ZIP1 , ZIP2 , ZIP3 , ZIP4 и MER3 (Линн и др. 2007).

Патогенные дрожжи испытали ускоренную дивергенцию мейотических белков в качестве класса

Если репродуктивная стратегия C. glabrata является в основном клональной, мы ожидаем, что мейотические белки в целом будут демонстрировать пониженную ограниченность и, таким образом, ускоренную дивергенцию.Чтобы проверить эту гипотезу, мы исследовали их относительные скорости эволюции, которые отражают ускорение или замедление белка на одной ветви (см. Материалы и методы ). Относительные скорости 127 мейотических белков на ветви C. glabrata были значительно смещены в сторону ускорения (рис. 2В). В частности, 80 белков (63%) имели относительные показатели выше медианы по всему геному (тест биномиального знака P = 0,0021). Тенденция ускоренной эволюции была сильной в C.glabrata и, вероятно, является результатом снижения ограничений на мейоз-специфические пути, потому что ускоренные белки были значительно обогащены для специфичных для мейоза паттернов экспрессии (пермутационный тест P = 0,00008).

Мейотические белки были ускорены и у других видов. Все шесть видов в монофилетической кладе Candida (не связанные с C. glabrata ) были смещены в сторону ускорения, и многие из них значительно (рис. 4). Обратите внимание, что вид C.glabrata более тесно связана с видами из рода Saccharomyces , чем с другими видами Candida . У видов клады Candida также отсутствовало большое количество мейотических белков. Из 128 белков мы не смогли объяснить от 24 до 45 генов, в зависимости от вида (рис. 4). Хотя некоторые гены могут отсутствовать из-за пробелов в геномной последовательности или аннотации, соответствие отсутствующих генов по всей кладе делает вероятным, что подавляющее большинство представляет собой потерю генов. Фактически, в то время как все другие виды проявили сильное предпочтение к сохранению мейотических генов, у видов из клады Candida отсутствовало больше мейотических генов, чем их пропорции отсутствующих генов по всему геному (Таблица S1). Более того, отсутствующие гены имеют значительную тенденцию быть генами со специфическими для мейоза паттернами экспрессии, это указывает на то, что те, которые играют роль вне мейоза, преимущественно сохраняются (Table S1). Ухудшение и ремоделирование мейоза в кладе Candida были глубоко изучены, и его эволюция привела к множеству репродуктивных стратегий (Butler et al. 2009). Например, у C. albicans принят парасексуальный жизненный цикл, в котором при спаривании образуются тетраплоидные зиготы, за которыми следует потеря хромосом во время митоза, чтобы вернуться к диплоидии; редуктивного деления мейозом не наблюдалось (Bennett and Johnson 2003).

В дополнение к видам Candida , K. lactis также продемонстрировали значительное ускорение мейотических белков, но в остальном имели модель эволюции, более близкую к таковой для C.glabrata (рисунок 4). Оба этих вида показали ускорение в целом, но еще не утратили свои мейотические гены, показывая, что измеримое ускорение не обязательно указывает на отказ от этих генов в целом (рис. 4). Однако их недавнее сокращение ограничений позволяет нам прогнозировать, что им суждено их потерять.

Различия между генами и видами создали независимые кластеры ERC

Как показано выше, мейотические белки как класс были ускорены у нескольких видов, однако конкретные мейотические пути, которые были ускорены, различались между ними, так что не наблюдалось повышения уровня мейоза в целом ERC (рисунок S2).Скорее, видоспецифическая изменчивость создала отдельные белковые группы, демонстрирующие высокий ERC, каждая из которых включает изменения скорости у уникального набора видов. Например, повышенный ERC наблюдался между описанными выше кроссоверными белками (Msh5p, Msh5p и т. Д.), В которых было ускорено C. glabrata . Напротив, другая группа белков, демонстрирующих высокий ERC, белки Mnd1 и Pms1, вместо этого управлялась ускорением у N. castelii , K. lactis и D. hansenii (Рисунок S3). C. glabrata продемонстрировал очень средние скорости для белков Mnd1 и Pms1 и не участвовал в корреляции. Кажется, что каждый вид реконструировал мейоз по-своему. Если мы обобщим это наблюдение на белки других путей, это означает, что ERC может достичь более тонкого разделения белков на функционально связанные кластеры, когда будет изучено больше видов.

Паттерны ERC млекопитающих и дрожжей обычно не совпадают

Главный вопрос заключается в том, изменяются ли силы, формирующие ERC между таксономическими группами.Конечно, любое согласие между паттернами ERC у далеких видов может указывать на консервативные и важные функциональные отношения. Чтобы изучить ERC у млекопитающих, мы выполнили полногеномное сравнение 8927 ортологичных белковых выравниваний из 22 видов млекопитающих (см. Материалы и методы ). Сначала мы изучили набор из 19 белков MMR млекопитающих, состоящих из прямых ортологов дрожжевых белков MMR, рассмотренных выше. Сила ERC между белками MMR млекопитающих в целом (медиана r = 0.047) был подобен таковому у дрожжей (медиана r = 0,049), но соответствие между ними было низким, хотя и статистически значимым (между таксономической группой r = 0,20; линейная регрессия P = 0,0159) (Рисунок 5B) . Эта слабая взаимосвязь указывает на то, что силы, лежащие в основе ERC, менялись со временем для многих из этих белков.

Рисунок 5

Ограниченное, но значительное соответствие между ERC у дрожжей и MMR млекопитающих. (A) Пары белков MMR дрожжей и млекопитающих сравниваются с помощью эмпирических значений ERC P .Поскольку протеомное распределение ERC у дрожжей и млекопитающих различается, мы показываем эмпирические значения P , поскольку они являются более значимым сравнением между таксономическими группами. Значения P для дрожжей и млекопитающих находятся выше и ниже черной диагонали, соответственно. Клетки окрашиваются в светло-красный цвет, начиная с значения P , равного 0,1, и становятся более красными по мере приближения к P = 0. (B) Диаграмма рассеяния показывает значительную, но слабую связь между ERC дрожжей и млекопитающих для белков MMR ( r ). = 0.20). (C) Особенно яркий пример ERC виден на этой диаграмме рассеяния относительных скоростей MLh4 и MSH6 млекопитающих ( r = 0,95). Устойчивые отношения не связаны с крайними точками данных и охватывают все ветви, что свидетельствует о прочных отношениях.

Четыре пары белков из 136 продемонстрировали статистически значимые ERC как в группе дрожжей, так и в группе млекопитающих (α = 0,05). При нулевой модели отсутствия истинного соответствия мы ожидали 1,5 пары и наблюдали бы четыре или более пары только в 4.5% случаев (, т.е. , P = 0,045). Наблюдаемый избыток конкордантных пар указывает на то, что некоторые из них могут быть связаны с сохранением ERC. Было обнаружено сильное соответствие между MMR и рекомбинационными белками в кластере Mlh2p, Mlh4p, Msh6p и Sgs1p (человеческий BLM). Вне этого кластера конкордантность была низкой и, в частности, сильная ERC, наблюдаемая между перекрестными белками дрожжей (Msh5p, Msh5p и др.) Не наблюдалась у млекопитающих. Самой яркой парой только у млекопитающих была Mlh4p-Msh6p, у которой значение ERC было равно 0.95. Эта корреляция была особенно устойчивой, поскольку она затрагивала несколько ветвей (рис. 5C). Хотя в настоящее время нет известной связи между Mlh4p и Msh6p, это предполагает тесную эволюционную связь между ними.

Чтобы сравнить ERC млекопитающих и дрожжей в большом наборе, мы исследовали 91 мейотический белок, выбранный по их аннотации в Онтологии генов (Ashburner et al. 2000). Были достоверные доказательства повышенного ERC между ними в целом (медиана r = 0.05; перестановка P <0,0001). Из этих мейотических белков млекопитающих 32 определили ортологи у дрожжей. Опять же, соответствие между ERC дрожжей и млекопитающих было низким ( r = 0,14), но статистически значимым (линейная регрессия P = 0,00155). Также было превышение конкордантных пар, 6 из 491, в то время как нулевое ожидание составило 3,1 пары. Однако это превышение нельзя считать статистически значимым ( P = 0,0758). Конкордантными парами были Rad50p и Mre11p, которые являются субъединицами комплекса MRX, участвующего в обработке двухцепочечных разрывов, и Ycs4p (человеческий NCAPD2) и Ime2p (человеческий ICK), которые участвуют в конденсации хромосом и активации мейоза соответственно ( Usui et al. 1998; Biggins et al. 2001; Чен и др. 2001; Сопко и др. 2002). Четыре оставшихся конкордантных пары наблюдались в наборе MMR, представленном выше. У некоторых видов дрожжей мы наблюдали ускорение выработки мейотических белков как класса, особенно у тех, у которых изменились репродуктивные стратегии (рис. 4). Мы не наблюдали последовательного ускорения мейотического белка у видов млекопитающих, что, возможно, неудивительно, поскольку все млекопитающие размножаются посредством мейотических продуктов (Bell 1982).Мы действительно наблюдали статистически значимое снижение скорости эволюции у слона L. africana , у которого 68% мейотических белков были замедлены (двусторонний биномиальный тест P = 0,000972; Бонферрони скорректировал P = 0,0213).

супрессоров пиРНК мобильных элементов образуют кластер с высоким ERC

Сильные сигнатуры ERC являются потенциальным средством идентификации новых членов установленных путей и комплексов. Один особенно сильный кластер ERC в мейотических белках млекопитающих состоял из BOLL, DDX4, PIWIL1, PIWIL2 и ASZ1 (Рисунок S4).Последние четыре белка участвуют в продукции и метаболизме piRNA, обладают специфическими для зародышевой линии паттернами экспрессии и могут подавлять мобильные элементы во время мейоза (rev. Siomi et al. 2011). Соседний кластер из четырех белков содержит MAEL и TDRD9, которые оба участвуют в функции piRNA. Важно отметить, что между этими двумя кластерами был высокий ERC (Рисунок S4). Хотя мы не знаем точно, что вызвало эти случаи ERC, колебания в атаке со стороны мобильных элементов могут легко вызвать такие изменения скорости для белков piRNA в целом (Siomi et al. 2011). Три из кластерных белков (BOLL, TRIP13 и DUSP13) не имели ранее ассоциации с piRNAs и, следовательно, являются новыми кандидатами на путь piRNA.

Обсуждение

Мы обнаружили убедительный случай ковариации скорости эволюции (ERC) между белками мейотического кроссовера дрожжей, которые мы разделили на причинные филогенетические ветви. Затем мы использовали биологические знания об этих видах, чтобы попытаться объяснить их происхождение. Теперь мы будем использовать эти результаты и результаты из недавней литературы для сравнения моделей, объясняющих ERC между функционально родственными белками.Предполагаемые силы, лежащие в основе ERC: (1) колебания эволюционного давления, как сдерживающие, так и адаптивные; (2) параллельная эволюция уровня экспрессии; и (3) компенсаторная эволюция на границах взаимодействия. Мы отдаем предпочтение модели эволюционного давления, потому что она объясняет наблюдение, что ERC повышается как между взаимодействующими, так и невзаимодействующими софункциональными белками (Hakes et al. 2007; Clark et al. 2012). В этом исследовании наблюдаемый образец изменения скорости четко коррелирует с историей жизни и мейотическими чертами на уровне организма.ERC в мейотических кроссоверных белках лучше всего объясняется ослаблением ограничений у видов, которые редко подвергаются мейозу, C. glabrata . В соответствии с этой моделью снижение ограничения привело к увеличению фиксации слегка вредных (почти нейтральных) аминокислотных изменений, которые при более сильном ограничении были бы удалены естественным отбором. Колебания адаптивного давления также могут привести к ERC. Например, если бы сильный ERC, который мы наблюдали между белками piRNA млекопитающих, был обусловлен атакой мобильных элементов, многие из аминокислотных замен были бы адаптивно управляемыми.Фактически, некоторые белки piRNA обнаруживают значительные признаки адаптивной эволюции (Vermaak et al. 2005; Obbard et al. 2009).

Было обнаружено, что параллельная эволюция уровня экспрессии также связана с ERC (Clark et al. 2012). Уровень экспрессии может вызывать этот эффект, потому что он является основным детерминантом скорости эволюции (Duret and Mouchiroud 2000; Pal et al. 2001; Drummond et al. 2006). Поскольку белковые комплексы и пути обмена изменяют уровни своей экспрессии параллельно, последующее влияние на скорость эволюции также должно распределяться между ними (Papp et al. 2003; Veitia et al. 2008 г.). Здесь мы наблюдали, что смещение кодонов и, как следствие, уровень экспрессии уменьшаются для кроссоверных белков у C. glabrata . Следовательно, возможно, что пониженный уровень экспрессии вносит вклад в ERC за счет снятия сдерживающих сил, связанных с затратами на неправильную укладку белков и вредные взаимодействия (Drummond et al. 2005).

Имеются данные о том, что компенсаторная эволюция вносит вклад в ERC между физически взаимодействующими белками (Kann et al. 2009). Однако мы предполагаем, что его влияние на весь геном слабее, чем силы, описанные выше. Напр., Если бы компенсаторная эволюция была основным фактором, мы могли бы ожидать, что ERC будет повсеместно присутствовать в белковых комплексах, однако значительный ERC наблюдается только в ~ 60% дрожжевых комплексов (Clark et al. 2012). Вместо этого стохастическая природа колеблющихся эволюционных давлений могла бы объяснить точечную распространенность ERC. Кроме того, компенсаторная эволюция нелегко объяснить ERC между невзаимодействующими функционально связанными белками.В этом исследовании возможно, что компенсаторная эволюция между восемью перекрестными белками привела к ERC; однако колебания ограничений кажутся более экономными, чем требование компенсирующих изменений в нескольких интерфейсах.

Чтобы улучшить функциональный вывод, мы должны также учитывать силы, которые могут создавать ERC без учета функции, такие как изменение эффективного размера популяции. Ожидается, что при небольшом размере популяции эффективность отбора будет снижена, так что любой набор генов с одинаковыми уровнями ограничений может испытывать одинаковое ускорение скорости, независимо от того, связаны они функционально или нет (обзор Charlesworth 2009).Поскольку нет гарантии, что функционально связанные белки имеют сходное распределение избирательных эффектов, этот и другие демографические параметры могут приводить к ERC между функционально несвязанными белками.

ERC как инструмент прогнозирования все еще нуждается в доработке. Интерпретация ERC как сигнала общей совместной функциональности, а не обязательно физического взаимодействия, может быть полезным достижением, потому что многие «ложные срабатывания» с точки зрения физического взаимодействия на самом деле могут быть истинными предсказаниями совместной функциональности.Мы также должны знать, что ERC фиксирует некоторые, но не все функциональные взаимосвязи. Например, мы ожидали ERC между несколькими важными парами белков репарации ДНК, но наблюдали повышенный ERC только для части из них. Наличие сильного ERC также может зависеть от используемых видов, поскольку их уникальная история определяет изменение скорости, которое испытала функция. Мы также рекомендуем по возможности использовать тщательное статистическое тестирование. В нашем случае мы показали, что повышенные значения ERC в белках MMR не были случайными, потому что 96% случайных наборов генов не достигли такого же среднего уровня ERC.

Мы сделали ряд биологических прогнозов, используя относительные скорости и ERC. Мы выявили сильное и неожиданное ускорение скорости мейотических белков K. lactis (Рисунок 4), из чего мы можем предположить, что мейоз встречается редко и что неравновесие сцепления будет высоким вдоль его хромосом. Фактически, поиск литературы подтвердил это предсказание, потому что наблюдаемая эффективность спаривания для K. lactis в лаборатории очень низкая, «примерно одна на миллион клеток», даже при благоприятных условиях (Zonneveld and Steensma 2003).Другой прогноз можно сделать на основании очевидной потери большинства генов ZMM у L. waltii , L. thermotolerans и E. gossypii . Отсутствие этих генов заставит их рекомбинировать с помощью других механизмов. Наконец, ERC можно использовать для вывода новых участников пути. Мы наблюдали заметный кластер ERC, содержащий несколько белков piRNA млекопитающих, что позволяет нам сделать вывод, что другие члены кластера (BOLL, TRIP13 и DUSP13) участвуют в метаболизме piRNA.Особенно сильным кандидатом является BOLL, гомолог Drosophila boule; он кодирует РНК-связывающий белок, связанный с мужским бесплодием, и преимущественно экспрессируется в семенниках, характеристики которых напоминают распознаваемые белки пиРНК (Castrillon et al. 1993; Eberhart et al. 1996). Кроме того, мы наблюдали особенно устойчивый сигнал ERC между Mlh4p и Msh6p млекопитающих, что указывает на непредвиденную взаимосвязь между этими белками, по крайней мере, у млекопитающих.Эти прогнозы иллюстрируют потенциал вариации скорости и ERC для внесения вклада в экспериментальные усилия.

Благодарности

Мы благодарим Паулу Коэн за обсуждение репарации ДНК млекопитающих и Huifeng Jiang и Zhenglong Gu за предоставление данных о последовательности видов дрожжей. Эта работа была поддержана грантом GM53085 Национального института здоровья (NIH), предоставленным E.A. и NIH предоставили патент GM36431 C.F.A.

  • Получено 18 сентября 2012 г.
  • Принято 15 ноября 2012 г.
  • Авторские права © 2013 Американского общества генетиков

Человеческий мозг вырос в результате исчезновения крупных животных

Иллюстрации охоты на слонов.Предоставлено: Дана Акерфельд

.

В новой статье доктора Мики Бен-Дор и профессора Рана Баркаи из кафедры археологии им. Якоба М. Алкова в Тель-Авивском университете предлагается оригинальное объединяющее объяснение физиологической, поведенческой и культурной эволюции человеческого вида с самого начала. появление около двух миллионов лет назад, в результате сельскохозяйственной революции (около 10 000 лет до нашей эры). Согласно статье, люди развивались как охотники на крупных животных, что привело к их окончательному исчезновению. По мере того, как люди адаптировались к охоте на маленьких, быстрых жертв, у людей развились более высокие когнитивные способности, о чем свидетельствует наиболее очевидное эволюционное изменение — рост объема мозга с 650 куб. См до 1500 куб. См.На сегодняшний день не было предложено единого объяснения основных явлений в предыстории человечества. Теория романа была опубликована в Quaternary Journal .

В последние годы накапливается все больше и больше доказательств того, что люди были основным фактором исчезновения крупных животных и, следовательно, должны были адаптироваться к охоте на более мелкую дичь, сначала в Африке, а затем во всех других частях мира. В Африке 2,6 миллиона лет назад, когда впервые появились люди, средний размер наземных млекопитающих приближался к 500 кг.Незадолго до появления сельского хозяйства этот показатель снизился более чем на 90% — до нескольких десятков кг.

Проф. Ран Баркаи. Кредит: Тель-Авивский университет

По мнению исследователей, уменьшение размеров дичи и необходимость охоты на маленьких быстрых животных заставили людей проявлять хитрость и смелость — эволюционный процесс, который потребовал увеличения объема человеческого мозга, а затем привел к развитию языка, позволяющего обмен информацией о том, где можно найти добычу.Теория утверждает, что все средства служат одной цели: сохранению энергии тела.

Исследователи показывают, что на протяжении большей части своей эволюции ранние люди были высшими (высшими) хищниками, специализирующимися на охоте на крупную дичь. Представляя большую часть биомассы, доступной для охоты, эти животные обеспечивали людей высоким уровнем жира, важным источником энергии и обеспечивали более высокую отдачу энергии, чем мелкая дичь. В прошлом в Африке жили шесть различных видов слонов, что составляло более половины биомассы всех травоядных животных, на которых охотились люди.Первоначальные данные из Восточной Африки показывают, что homo sapiens появился в этой области только после значительного сокращения количества видов слонов в определенных регионах. Сравнивая размеры животных, обнаруженных в археологических культурах, представляющих разные виды людей в Восточной Африке, Южной Европе и Израиле, исследователи обнаружили, что во всех случаях наблюдалось значительное снижение распространенности животных весом более 200 кг в сочетании с увеличением их численности. объем человеческого мозга.

«Мы соотносим увеличение объема человеческого мозга с необходимостью стать более умными охотниками», — объясняет д-р.Бен-Дор. Например, необходимость охотиться на десятки газелей вместо одного слона создавала длительное эволюционное давление на функции мозга людей, которые теперь тратили гораздо больше энергии как на движение, так и на мыслительные процессы. Охота на мелких животных, которым постоянно угрожают хищники и поэтому очень быстро бегут, требует физиологии, адаптированной к преследованию, а также более сложных охотничьих инструментов. Когнитивная активность также возрастает, поскольку быстрое отслеживание требует быстрого принятия решений, основанного на феноменальном знакомстве с поведением животных — информации, которую необходимо хранить в более крупной памяти.”

Эволюционная адаптация человека была очень успешной, — говорит д-р Бен-Дор. «По мере того как размер животных продолжал уменьшаться, изобретение лука и стрел и приручение собак позволило более эффективно охотиться на средних и мелких животных — до тех пор, пока эти популяции также не стали сокращаться. К концу каменного века, когда животные стали еще меньше, людям приходилось вкладывать в охоту больше энергии, чем они могли вернуть. Действительно, именно тогда произошла аграрная революция, когда были одомашнены как животные, так и растения.Когда люди переехали в постоянные поселения и стали фермерами, размер их мозга уменьшился до нынешнего объема 1300-1400 кубических сантиметров. Это произошло потому, что с одомашненными растениями и животными, которые не летают, отпала необходимость в выделении выдающихся когнитивных способностей для охоты ».

Профессор Баркай: «В то время как мозг шимпанзе, например, оставался стабильным в течение 7 миллионов лет, человеческий мозг вырос в три раза, достигнув своего максимального размера около 300 000 лет назад.Помимо объема мозга, эволюционное давление заставило людей использовать язык, огонь и сложные инструменты, такие как лук и стрелы, приспособить свои руки и плечи к задачам метания и метания, а тела — к длительной погоне, улучшить свои каменные орудия, приручить собак и, в конечном итоге, приручить саму дичь и обратиться к сельскому хозяйству ».

Проф. Баркай добавляет: «Следует понимать, что наша точка зрения не детерминирована. Люди сами навлекли на себя эту беду.Сосредоточившись на охоте на самых крупных животных, они вызвали вымирание. Где бы ни появлялись люди — будь то homo erectus или homo sapiens, мы рано или поздно наблюдаем массовое вымирание крупных животных. Зависимость от крупных животных имела свою цену. Люди лишают себя средств к существованию. Но в то время как другие виды, такие как наши двоюродные братья неандертальцы, вымерли, когда исчезла их крупная добыча, homo sapiens решил начать все сначала, на этот раз полагаясь на сельское хозяйство ».

Ссылка: «Уменьшение размера жертвы как объединяющий экологический фактор отбора в плейстоценовой эволюции человека» Мики Бен-Дор и Ран Баркай, 19 февраля 2021 г., Quarternary Research .
DOI: 10.3390 / quat4010007

Эволюционная теория и психология

В ознаменование 200-летия со дня рождения Чарльза Дарвина и 150-летия публикации его основополагающей работы Происхождение видов , это издание Психологической повестки дня включает специальный раздел, посвященный эволюции. теория и психология. Ученым и философам было предложено представить личные размышления о значении и влиянии теории Дарвина и текущих взглядов на эволюцию в современной психологии. PSA благодарит авторов за провокационные высказывания.

Влияние Дарвина на современную психологическую науку
Дэвид М. Басс

Эволюционная психология и эволюция психологии
Дэниел Крюгер

Дарвинизация социальных наук
Роберт Курцбан

Дарвиновская психология: где настоящее встречается с прошлым
Дебра Либерман и Марти Хэзелтон

Эвристика открытий в психологии
Эдуард Машери

из числа лучших?
Гэри Маркус

Открытое письмо психологам-сравнителям
Дэниел Дж.Повинелли, Дерек К. Пенн и Кейт Дж. Холиоук

Эволюция человеческих половых различий
Венди Вуд и Элис Х. Игли


Влияние Дарвина на современную психологическую науку
Дэвид М. Басс

Дэвид М. Басс — профессор психологии Техасского университета в Остине.


В конце своего классического трактата о происхождении видов в 1859 году Дарвин предвидел, что в далеком будущем область психологии будет основана на новом фундаменте — теории эволюции.Полтора века спустя стало ясно, что его видение оказалось пророческим (Buss, 2009).

Эволюционная психология — это не отдельная ветвь психологии, а скорее теоретическая линза, которая в настоящее время пронизывает все отрасли психологии. Он основан на ряде логически последовательных и хорошо подтвержденных предпосылок: (1) эволюционные процессы сформировали не только тело, но и мозг, психологические механизмы, в которых он находится, и поведение, которое он производит; (2) многие из этих механизмов лучше всего рассматривать как психологические адаптации, предназначенные для решения проблем, которые исторически способствовали выживанию и воспроизводству в широком понимании; (3) психологические адаптации, наряду с побочными продуктами этих адаптаций, активируются в современных средах, которые в некоторых важных отношениях отличаются от сред предков; (4) критически, представление о том, что психологические механизмы обладают адаптивными функциями, является необходимым, а не дополнительным ингредиентом всеобъемлющей психологической науки.

Дарвин предложил две ключевые теории, которыми руководствуется большинство современных психологических исследований, — естественный отбор и половой отбор. Эти теории имеют большую эвристическую ценность, поскольку они направляют психологов к классам адаптивных проблем, связанных с выживанием (например, угрозы со стороны других видов, таких как змеи и пауки; угрозы со стороны других людей) и воспроизводством (например, выбор партнера, сексуальное соперничество, адаптация к овуляции). . Достижения современной эволюционной теории, предвещаемые инклюзивной теорией приспособленности и взглядом на «взгляд гена», направляют исследователей к явлениям, которые Дарвин не мог вообразить, таким как врожденные и предсказуемые формы внутрисемейных конфликтов и сексуальных конфликтов между мужчинами и женщинами.

За последнее десятилетие эволюционная психология все больше информирует каждую субдисциплину психологии. В восприятии и ощущении это привело к открытию таких явлений, как искажение слухового вырисовывания и иллюзия зрительного нисхождения. В когнитивной психологии, основанной на сочетании теории обнаружения сигналов и асимметричных эволюционных издержек когнитивных ошибок, она привела к теории управления ошибками и открытию функциональных когнитивных искажений, которые, как это ни странно, «созданы» для того, чтобы ошибаться. адаптивные способы.Эволюционная социальная психология сделала множество открытий, от приспособлений к альтруизму до темных сторон социального конфликта. Эволюционная психология развития исследовала способы, которыми критические онтогенные события, такие как отсутствие отца по сравнению с присутствием отца, влияют на последующее развитие сексуальных стратегий.

Эволюционная клиническая психология дает непроизвольное определение психологического расстройства — когда развитый механизм не работает так, как он был разработан.Он также проливает свет на общие недуги, такие как депрессия, тревожные расстройства, расстройства пищевого поведения и сексуальные расстройства. И это обеспечивает основу для изучения того, как несоответствие между исконной и современной средой может вызвать психологические расстройства. Психология личности, исторически сопротивляющаяся эволюционному анализу, наконец начинает открывать адаптивные индивидуальные различия.

Гибридные дисциплины также используют инструменты эволюционной психологии. Когнитивные и социальные нейробиологи, например, используют современные технологии, такие как фМРТ, для проверки гипотез об адаптациях к социальной изоляции, таких эмоциях, как сексуальная ревность, и механизмах распознавания родственников.

В более общем плане эволюционная психология разрушает барьеры между традиционными дисциплинами психологии. Правильное описание психологической адаптации должно включать определение входных данных восприятия, когнитивной обработки и возникновения в процессе развития. Многие механизмы были разработаны для решения проблем социальной адаптации, например, когда социальная тревога мотивирует поведение, которое не дает человеку потерять статус в группе. И все адаптации могут давать сбой, например, когда социальная тревога становится парализующей, а не функциональной, что делает клиническую психологию актуальной.Ключевым моментом является то, что организация психологии вокруг адаптивных проблем и выработанных психологических решений, а не вокруг несколько произвольных подполей, таких как когнитивная, социальная и развивающая, растворяет исторически ограничивающие отраслевые границы. Эволюционная психология представляет собой метатеорию психологической науки, которая объединяет эти области, и объясняет, почему кажущиеся несопоставимыми отрасли психологии действительно принадлежат обложкам вводных книг по психологии и тем же отделам психологии.

Ссылка

Басс, Д. М. (2009). Великая жизненная борьба: Дарвин и появление эволюционной психологии. Американский психолог , 64, 140-148.


Эволюционная психология и эволюция психологии
Дэниел Дж. Крюгер

Дэниел Крюгер — доцент Исследовательского центра профилактики в Мичигане Школы общественного здравоохранения Мичиганского университета.


Структура эволюционной теории будет все больше использоваться в качестве основы для совокупного понимания психологической науки.В качестве объединяющей теории наук о жизни эволюция путем естественного и полового отбора предлагает беспрецедентную возможность интегрировать в настоящее время разрозненные области исследований (Wilson, 1998), создавая мощную основу для понимания сложных паттернов причинной связи в психологических и поведенческих явлениях. Эволюционная перспектива превратится из своего воспринимаемого статуса как области особого интереса в организующий принцип, пронизывающий каждый уголок каждой области, а также служащий мостом между уровнями анализа.

Включение эволюционной теории в психологию увеличивалось и уменьшалось за 150 лет с тех пор, как Дарвин (1859) предсказал, что эта область будет основана на новом фундаменте. Есть много ярких примеров психологических теорий с эволюционной основой, таких как модель привязанности Боулби (1969), но зачастую это отдельные примеры. За последние три десятилетия эволюционная перспектива была обновлена ​​благодаря значительным теоретическим достижениям и постоянно растущему массиву эмпирических исследований.

Утверждения о столь значительном усовершенствовании существующих в настоящее время убеждений, вероятно, вызывают скептицизм. Накапливающиеся массивные эмпирические данные о влиянии давления эволюционного отбора на психологические механизмы убедят объективных наблюдателей. Важно отметить, что эволюционные объяснения не обязательно заменят существующие модели конкретных психологических и поведенческих явлений, а скорее объединят «как» с «почему». Это может помочь признать, что эволюционная психология не монолитна; Есть несколько уровней теории, от базовых принципов до конкретных явлений и множества конкурирующих объяснительных теорий.Разногласия возникают даже между теми, кого считают основоположниками современной науки. Например, некоторые считают, что существуют психологические приспособления, облегчающие убийство в стратегических целях (Buss, 2005), тогда как другие полагают, что убийство является продуктом адаптации к сублетальным мотивам, таким как конкуренция, в сочетании со смертоносными современными технологиями (Daly & Wilson, 1988).

Это также может помочь отличить современную эволюционную психологию от программ селекции в предыдущие эпохи истории человечества.В эволюции нет телеологии; нет человека или народа более развитого, чем другие люди или народы. Все живущие сегодня происходят от длинной и длинной линии успешных предков. Тем не менее, могут быть индивидуальные и групповые различия в психологических областях, которые частично являются результатом дифференциального давления отбора на наследственные популяции. Люди колонизировали почти все участки суши на поверхности земли, и каждая из этих разнообразных экологических систем могла формировать наш психологический дизайн.Усилия по повышению благосостояния людей могут выиграть от этого признания, а также от понимания того, что гены не являются сценарием предопределенной судьбы. Все в нас как личностях является продуктом сложных взаимодействий между нашими генетическими инструкциями и аспектами среды, в которой они выражаются.

Предоставляя более широкий контекст, в котором могут быть интерпретированы результаты исследований, исследователи из разных областей будут способствовать интеграции большего объема научных знаний.Эволюция психологии будет способствовать ее признанию и интеграции в качестве науки.

Ссылки

Bowlby, J. (1969). Вложение и утеря , Том. 1. Нью-Йорк: Основные книги.

Бусс Д. М. (2005). Убийца по соседству: почему разум создан для убийства . Нью-Йорк: Penguin Press.

Дейли М. и Уилсон М. (1988). Убийство. Нью-Йорк: Алидин де Грюйтер.

Дарвин, К. (1859). О происхождении видов путем естественного отбора .Лондон: Джон Мюррей.

Wilson, E.O. (1998). Последовательность: единство знаний. Нью-Йорк: Альфред А. Кнопф.


Дарвинизация социальных наук
Роберт Курцбан

Роберт Курцбан — доцент кафедры психологии Пенсильванского университета.


Есть только одна известная причина сложной функциональной организации материи, которая характеризует биологический мир: эволюция путем естественного отбора.Поскольку ученые обычно не игнорируют центральный причинный процесс, порождающий объект их исследования, имеет смысл, что через 150 лет после «Происхождения видов» научные исследования, изучающие физиологию или поведение любого из примерно 1,5 миллиона видов на Земле, требуют аспирантура по биологии, в частности, обучение теории эволюции путем естественного отбора, факт, который является данью наследию Дарвина. Исследования каждого вида в мире мотивированы гипотезами эволюционировавших функций, которые, в свою очередь, направляют исследования ближайших механизмов.

Это верно для всех видов на планете, за одним исключением: Homo sapiens.

Студенты, желающие изучать людей — психологи, политологи, экономисты, социологи и другие социологи — не обязаны проходить единый курс биологии, и, за некоторыми исключениями, они этого не делают. Это ставит большую часть социальных наук в положение, пытаясь объяснить психологию человека без инструментов дарвинизма, что сродни попыткам заниматься химией, при этом старательно игнорируя причинные основы этой дисциплины: атомы, молекулы, периодическую таблицу и т. Д. основные силы, управляющие материей.

Это приводит к досадным ошибкам. Биологи никогда бы не подумали, что объяснение сложного поведения, такого как строительство плотин у бобров, начнется или закончится со ссылкой на такие конструкции, как «защита самоуважения», «значимость» или «максимизация полезности», но «объяснения» именно такого рода широко распространены в социальных науках. Биологи понимают, что объяснения в долгу перед дарвинистом: эволюционирующие механизмы обладают биологическими функциями, и они, в конечном итоге, должны быть объяснены.Однако не только объяснения, начинающиеся с теории развитой функции, все еще редки в социальных науках, но и, наоборот, такие объяснения часто вызывают презрение, насмешки и слепое непонимание.

Эту ситуацию можно исправить. Предлагаю два предложения. Во-первых, для обучения в аспирантуре по всем общественным наукам должен быть по крайней мере один курс эволюционной биологии. Учащиеся, выходящие на поле, должны быть вооружены инструментами, которые оказались столь продуктивными в объяснении и прогнозировании поведения всех остальных видов.Психология может лидировать в этом, действуя быстро. Во-вторых, редакторы должны начать требовать, чтобы статьи включали явную гипотезу об эволюции механизмов, исследуемых в рукописи. Форма следует за функцией в биологии, и гипотезы о форме, которую принимают психологические механизмы — о том, как они работают — всегда должны основываться на гипотезах о функции — о том, для чего они предназначены.

Продолжающихся упорное сопротивление психологов, чтобы узнать идеи, которые объединяют свои дисциплины с естественными науками, будет рассматриваться в неблагоприятном потомстве.Изменения были ледяными, оставив психологию осужденной, как часто цитируют Макса Планка о науке, «продвигать похороны за один раз». Так или иначе, социальные науки в конечном итоге будут дарвинизированы.


Дарвиновская психология: где настоящее встречается с прошлым
Дебра Либерман и Марти Хэзелтон

Дебра Либерман — доцент кафедры психологии Университета Майами.

Марти Хэзелтон — доцент кафедры коммуникативных исследований и психологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Спустя 200 лет после рождения Чарльза Дарвина и 150 лет после публикации «Происхождения видов» психология возвращается к своим корням как наука о жизни, объединяя те же принципы, которые биологи используют для понимания нечеловеческой жизни. формы для понимания человеческого поведения и познания. Теории Дарвина естественного и полового отбора определили первичные силы, которые одинаково формируют как физиологические структуры, так и психологические механизмы. В сочетании с недавними теоретическими достижениями, предложенными генным отбором и инклюзивной теорией приспособленности, принципы Дарвина оказались бесценным инструментом для картирования структуры современного человеческого разума и увязки ее с нашей долгой эволюционной историей.Например, теперь мы знаем, что угрозы, с которыми столкнулись наши предки, оставили свое наследие в виде определенных страхов и фобий, которые люди чаще всего приобретают — страха перед зубастыми существами, такими как пауки и змеи, но не перед современными угрозами, такими как оружие и быстрые движения. автомобили, которые с гораздо большей вероятностью убьют нас сегодня. Исследования с применением дарвиновских принципов также показали, что родство — это привилегированные социальные отношения, управляемые специализированными психологическими механизмами, которые делают вывод о родстве на основе имеющихся у предков сигналов, которые надежно отличают родство от не-родственника и между разными типами родственников.Мы также обнаружили, что у человеческих женщин, как и у наших родственников-млекопитающих, есть фаза течки цикла, в которой их сексуальные предпочтения и поведение меняются репродуктивно разумным образом. Эти и многие другие открытия, сделанные с помощью эволюционных инструментов, не были бы сделаны без великой теории Дарвина.

Заглядывая в будущее, можно сказать, что применение принципов эволюции продолжает проникать в различные дисциплины психологии, включая клиническую науку, когнитивную психологию и нейробиологию.Все больше и больше влияние Дарвина можно увидеть в исследовательских программах, изучающих, например, вопрос о том, являются ли конкретные клинические «расстройства» на самом деле психологической адаптацией, предметной спецификой процессов памяти и внимания, а также специализированными контурами, участвующими в обработке определенных эмоций. Несмотря на широкое применение, препятствия остаются. Теория Дарвина прекрасна, но обманчиво проста. Его часто применяют неправильно — например, предполагая, что адаптации работают на благо группы или вида, или игнорируя строгий учет исторического давления отбора, ведущего к развитию определенной способности.Это будет продолжаться только в том случае, если психологи не получат серьезной подготовки в области эволюционной биологии. Изучение человеческого разума должно основываться на биологии, изучении жизни. Конечно, есть те, кто выступает против полной интеграции биологического теоретизирования в психологию, но это основано на опасениях, которые, по крайней мере, для нас, в значительной степени устарели. Мы надеемся, что новые поколения психологов и социологов будут свободно владеть дарвиновскими принципами и современной эволюционной биологией и что, как и предсказывал Дарвин, «психология будет основана на новом фундаменте, необходимом для приобретения каждой умственной силы и способностей. по градации.Много света будет пролита на происхождение человека и его историю »(Дарвин, 1859, стр. 428).

Ссылка

Дарвин, К. (1859). О происхождении видов путем естественного отбора . Лондон: Джон Мюррей.


Эвристика лучших открытий психологии
Эдуард Машери

Эдуард Машери — доцент кафедры истории и философии науки Питтсбургского университета.


Психологи часто полагались на ненадежные технологические метафоры при разработке гипотез о природе человеческого разума.Психоаналитические гипотезы Фрейда были вдохновлены распространенной тогда гидравлической метафорой, которая сравнивала желания, эмоции и побуждения с жидкостями, в то время как когнитивные ученые в последнее время искали психологические аналоги процессов и систем, составляющих цифровые компьютеры (подумайте, например, о работе память как двойник центрального процессора компьютера и внимание как двойник распределения вычислительной мощности между различными программами). Как показал Gigerenzer (1991), статистические инструменты, такие как, например, e.ж., линейная регрессия или байесианство, также часто превращались в гипотезы о природе психологических процессов человека.

В отличие от этих ненадежных и часто беспринципных эвристик открытий, эволюционная теория предоставляет психологии хорошо мотивированный и мощный метод выявления психологических черт человека. Никто серьезно не отрицает, что разум состоит из эволюционировавших черт, и в сочетании с открытиями о поведении и психологии животных, археологическими находками и антропологическими данными исследований охотников-собирателей эволюционные теории могут привести психологов к разработке правдоподобных гипотез о природе этих черт. развитые черты характера.Фактически, поскольку это, вероятно, наша лучшая эвристика открытий, эволюционные теории должны направлять усилия психологов в понимании разума и поведения.

Но есть одна загвоздка: серьезное отношение к теории эволюции имеет свои издержки. Хотя у психологов редко бывает время и компетенция, чтобы участвовать в горячих спорах в эволюционной биологии, им следует идти в ногу с развитием эволюционного мышления, а не полагаться на несколько устаревшие теории. Более того, показать, что какая-то психологическая черта эволюционировала и, тем более, что это адаптация, сложнее, чем обычно признают психологи с эволюционным мышлением.Они должны быть готовы расширить набор инструментов, которые они используют в настоящее время, и освободить место для источников доказательств, которые биологи считают благоприятными.

Ссылка

Гигеренцер, Г. (1991). От инструментов к теориям: эвристика открытий в когнитивной психологии. Психологический обзор , 98, 254-267


Выживание сильнейшего?
Что Дарвин говорит нам о человеческом разуме?

Гэри Маркус

Гэри Маркус — профессор психологии Нью-Йоркского университета.


Немногие фразы в науке столь же сильны — или так часто неправильно понимаются — как слова «выживание наиболее приспособленных».

Проблема с фразой (фактически придуманной Гербертом Спенсером, современником Дарвина) в том, что она совершенно двусмысленна. С одной стороны, «выживание наиболее приспособленных» может означать «из всех возможных существ, которые можно себе представить, выживают только наиболее приспособленные из возможных»; с другой стороны, это могло означать что-то значительно менее щедрое: выживают не самые приспособленные из возможных существ, а только те существа, которые выживают, как правило, наиболее приспособленные из всех, что могут быть поблизости в любой данный момент.

Эта, казалось бы, тонкая разница — между «наиболее приспособленным среди возможных вариантов» и «наиболее приспособленным из возможных» — имеет огромное значение. «Лучше, чем сосед» — это далеко не «лучшее из возможных».

Иногда кажется, что обсуждение эволюционной психологии основывается на первом. Люди делают то-то и то-то, потому что то-то и то-то было оптимальным («наиболее приспособленным») делом для наших предков каменного века. Мужчинам нравятся женщины с гладкой кожей, потому что (до появления пластической хирургии) гладкая кожа была надежным предиктором фертильности, поэтому в интересах «эгоистичных генов» наших предков создавать мозг с предпочтением гладкой кожи.

Хотя разговоры о функции, безусловно, имеют место, такие примеры, как склонный к травмам позвоночник человека (неразумная модификация более разумного горизонтального позвоночника наших четвероногих предков), предполагают, что обычные соображения оптимальной функции следует дополнить соображениями того, что можно было бы назвать эволюционной инерцией. Подобно тому, как движущиеся объекты имеют тенденцию оставаться в движении (второй закон Ньютона), эволюция имеет тенденцию изменять то, что уже находится на месте, а не начинать с нуля.

Рассмотрим человеческую память, которая намного менее надежна, чем память компьютера. В то время как среднестатистическому ребенку требуются недели, месяцы или годы, чтобы запомнить что-то столь же простое, как таблица умножения, любой современный компьютер может запомнить любую таблицу в одно мгновение — и никогда не забудет ее. Почему мы не можем сделать то же самое?

В то время как компьютеры организуют все, что они хранят, в соответствии с физическими (или логическими) местоположениями, причем каждый бит хранится в определенном месте в соответствии с какой-то главной картой, мы понятия не имеем, где что-либо хранится в нашем мозгу.Мы получаем информацию, не зная, где она находится, а используя подсказки или подсказки, которые намекают на то, что мы ищем.

В лучшем случае этот процесс работает хорошо: конкретная память, которая нам нужна, просто «всплывает» в нашем сознании автоматически и без усилий. Однако загвоздка в том, что наши воспоминания легко спутать, особенно когда данный набор сигналов указывает на более чем одно воспоминание. То, что мы можем вспомнить в любой данный момент, также сильно зависит от случайностей, когда частицы мысленного мусора и реактивного снаряда оказываются умственно активными в этот момент.Наше настроение, окружающая среда, даже поза — все это может влиять на наши деликатные воспоминания.

Наши воспоминания могут работать таким образом не потому, что это оптимальное решение, а просто потому, что во времена человеческой эволюции память, зависимая от сигналов, была прочно укоренившейся стандартной частью: память, управляемая сигналами, и все ее идиосинкразии были обнаружены практически у всех когда-либо изученных существ, от червей до мух, от пауков до крыс, от обезьян до людей.

Таким образом, структура человеческой памяти может существовать, поскольку она не существует не потому, что это идеальное решение (наиболее подходящее возможное), а просто потому, что это было наиболее подходящее решение, которое было доступно (Marcus, 2008).

Ссылка

Маркус, Г. (2008). Клюге: Случайная эволюция человеческого разума . Бостон, Массачусетс: Houghton-Mifflin.


Открытое письмо психологам-сравнителям
Дэниел Дж. Повинелли, Дерек К. Пенн и Кейт Дж. Холиоук

Дэниел Повинелли — стипендиат Джеймса С. Макдоннелла и профессор биологии Университета Луизианы.


Дерек Пенн — научный сотрудник Университета Луизианы.

Кейт Холиоак — заслуженный профессор психологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.


Дарвин считал, что дождевые черви обладают сознанием и что растения могут слышать фаготы. Он утверждал, что «высшие» животные обладают зарождающейся способностью к сочувствию, логике, языку, великодушию, пониманию красоты и зарождающейся вере в Бога. И он считал, что собаки обладают «чувством юмора в отличие от простой игры» и «обладают чем-то очень похожим на совесть.»(Дарвин, 1871 г.).

Антропоморфный взгляд Дарвина на животных был столь же необоснованным и ненужным, как и его теория пангенезиса: ничто в теории эволюции Дарвина не требует — и даже не предполагает — существования непрерывной психологической преемственности между живыми видами. И тем не менее, за последнюю четверть века, многие сравнительные психологи упорно отстаивали заманчивую идею Дарвина о том, что нет «фундаментальных различий» между умственными способностями людей и животными и сделали антропоморфное заявление о нечеловеческом познании как необоснованные, как Дарвин.

Даже те сравнительные исследователи, которые признают, что в человеческом разуме может быть что-то качественно иное, в значительной степени приписывают прерывность определенным предметно-ориентированным способностям, таким как язык или социально-коммуникативный интеллект, и отрицают, что могло быть более глубокое , общая сфера разрыва между человеческим и нечеловеческим разумом.

Свидетельства ясно говорят об обратном: только люди разводят огонь, лепят колеса, рисуют карты, диагностируют болезни друг друга, рискуют своей жизнью ради идеалов, наказывают незнакомцев за нарушение правил, объясняют мир с точки зрения невидимых причин, планируют гипотетические сценарии , принимать во внимание благополучие других и учить друг друга всему перечисленному.Эволюция всех этих уникальных человеческих способностей требует объяснения.

Возможно, что каждый из наших уникальных человеческих видов познания является результатом отдельной, специфической для предметной области инновации. И возможно, что все они каким-то образом связаны с языком. Но нам кажется более вероятным, что некая центральная когнитивная способность эволюционировала вместе и продолжает подчинять все наши уникальные человеческие способности. Согласно нашей гипотезе (Penn, Holyoak, and Povinelli, 2008), этой центральной когнитивной способностью была способность рассуждать об отношениях более высокого порядка, а основным нововведением, которое породило человеческий разум, была способность нашего мозга приближаться к реляционным возможностям человека. система физических символов.

Мы не уверены, что наша гипотеза верна; но мы уверены в этом: для сравнительных психологов пора выйти за рамки веры в «психическую непрерывность» между всеми видами и вложить столько же усилий в выявление различий между человеческим и нечеловеческим разумом, сколько они вложили в это. выявление сходства. Только тогда сравнительная психология сможет занять достойное место за круглым столом когнитивной науки.

Ссылки

Дарвин, К.(1871). Происхождение мужчины и отбор по отношению к полу . Лондон, Джон Мюррей.

Пенн, Д. К., Холиоук, К. Дж., И Повинелли, Д. Дж. (2008). Ошибка Дарвина: объяснение разрыва между человеческим и нечеловеческим разумом. Поведенческие науки и науки о мозге, 31 (2): 109-178.


Эволюция человеческих половых различий
Венди Вуд и Элис Х. Игли

Венди Вуд — профессор психологии и нейробиологии и профессор маркетинга в Университете Дьюка.

Элис Игли — профессор психологии Северо-Западного университета.


Чарльз Дарвин, предлагая блестящий анализ развития и изменения видов, изо всех сил пытался понять человеческие различия расы, класса и пола. В анализе Дарвина эти различия возникли в результате процессов полового отбора. Например, он объяснил предположительно превосходную красоту аристократии тем, что мужчины высшего класса успешно конкурировали и выбирали самых привлекательных женщин из всех социальных классов.Как и Дарвин, современные эволюционные психологи объясняют повсеместно больший размер и силу мужчин, а также их склонность к психологической агрессивности и конкурентоспособности, как результат механизмов полового отбора — мужской конкуренции и женского выбора.

Современное эволюционное мышление вышло за рамки такого простого анализа, отчасти потому, что данные сравнительных исследований приматов ставят под вопрос, возникли ли человеческие половые различия в результате полового отбора. Разница в размерах самца и самки человека невелика по величине по сравнению с другими видами приматов, а виды с низким диморфизмом имеют большое разнообразие моделей поведения и социальных структур (Plavcan & van Schaik, 1997).Кроме того, как женский, так и мужской размер являются результатом давления множественного отбора. Такие открытия требуют более сложных эволюционных объяснений физических и психологических половых различий людей.

Наш эволюционный анализ половых различий учитывает значительную поведенческую гибкость людей в ответ на местные обстоятельства. Эта характерная черта людей отражает их эволюцию в разнообразных средах с изменчивыми условиями, которые по-разному влияют на выживание и репродуктивные результаты (Wood & Eagly, 2002, в печати).Например, в эпоху позднего плейстоцена климат, по-видимому, был очень изменчивым. Кроме того, люди и их предки занимались обширным строительством ниш, что означает, что их деятельность изменила среду, в которой они жили. Приспособление к таким изменениям требовало поведенческой гибкости, обеспечиваемой развитой способностью к инновациям и обмену информацией посредством социального обучения, приводящего к накоплению культуры. Гибкость людей проявляется в их различных новаторских решениях проблем воспроизводства и выживания, включая терпимость к широкому спектру продуктов питания, экологии и условий жизни.

Учитывая давление отбора на предков человека, половые различия в поведении гибко возникают из биосоциального взаимодействия, в котором социокультурные и экологические силы взаимодействуют с биологией человека, определяемой женскими и мужскими физическими характеристиками и репродуктивной деятельностью (Wood & Eagly, 2002). В частности, женщины рожают и кормят грудью детей, а мужчины обладают большими размерами, скоростью и силой верхней части тела. Учитывая эти атрибуты, возникает такое разделение труда, что определенные виды деятельности в определенных обществах более эффективно выполняются одним полом, чем другим.Например, женщины ограничены в своей способности выполнять определенные задачи, несовместимые с уходом за детьми (например, требовать скорости, непрерывной активности). Поэтому женщины в сообществах, занимающихся собирательством, садоводством и сельским хозяйством, обычно избегают таких задач, как охота на крупных животных, пахота и ведение войны. Тем не менее, в определенных социальных условиях, которые уменьшают эти ограничения, женщины взяли на себя роль воинов и охотников. В последнее время разделение труда и гендерная иерархия стали менее выраженными, что отражает снижение важности физических половых различий из-за снижения рождаемости и уменьшения важности размера и силы для ролей с высоким статусом.В результате политические и социальные изменения открывают женщинам доступ к более широкому спектру социальных ролей и изменили женскую психологию.

Ссылки

Плавкан, Дж. М., и ван Шайк, К. П. (1997). Интерпретация поведения гоминидов на основе полового диморфизма. Журнал эволюции человека , 32, 345–374.

Вуд, У. и Игли, А. Х. (2002). Кросс-культурный анализ поведения женщин и мужчин: последствия для происхождения половых различий. Психологический бюллетень , 128, 699-727.

Wood, W., & Eagly, A.H. (в печати). Пол. В С. Т. Фиске, Д. Т. Гилберте и Г. Линдзи (ред.), Справочник по социальной психологии (5-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл.



Сборка генома на основе секвенирования нанопор и эволюционная геномика риса циркум-басмати | Геном Biology

нанопористых секвенирование басмати и Sadri риса

Использование Оксфорд нанопор технологии давно чтения секвенирования платформы, мы упорядочили геномы циркумглобальными басмати ландрасы басмати 334 (басмати в буквальном смысле) и Дом Sufid (Sadri).Мы набрали 1 372 950 операций чтения, что в сумме составляет 29,2 ГБ для Basmati 334, и 1 183 159 операций чтения, что в сумме составляет 24,2 ГБ для Dom Sufid (Таблица 1). Для обоих образцов средняя длина чтения составляла> 17 кб, длина чтения N50 была> 33 кб, а средний показатель качества на чтение составлял ~ 11.

Таблица 1 Сводка данных чтения секвенирования нанопор

Сборка de novo геномов риса Basmati 334 и Dom Sufid

Включая только те чтения, которые имели средний показатель качества> 8 и длину чтения> 8 kb, мы использовали Всего 1076192 прочтений и

0 прочтений для геномных сборок Basmati 334 и Dom Sufid, что привело к охвату генома ~ 62 × и ~ 51 ×, соответственно (Таблица 2).Мы отполировали сборки генома с помощью считывания нанопор и коротких секвенирований Illumina. Окончательные, отшлифованные сборки генома охватывают 386,5 МБ в 188 контигах для Basmati 334 и 383,6 МБ для 116 контигов для Dom Sufid. Сборки генома имели высокую степень смежности, с контигом N50 6,32 Мб и 10,53 Мб для Basmati 334 и Dom Sufid, соответственно. Наши геномные сборки восстановили более 97% из 1440 генных групп эмбриофитов BUSCO [52], что сопоставимо со статистикой BUSCO для японской японской Nipponbare [33] (98.4%) и эталонные геномы индика R498 [41] (98,0%). Это улучшение по сравнению с доступной в настоящее время сборкой генома разновидности басмати GP295-1 [42], которая была получена из данных короткого чтения Illumina и имеет контиг N50 44,4 т.п.н. с 50 786 собранными контигами.

Таблица 2 Сводка геномных сборок риса циркум-басмати

Мы исследовали кодирующие последовательности наших геномов циркум-басмати, выполнив аннотацию генов с использованием опубликованных моделей генов риса и конвейера аннотации генов MAKER [52, 53].Всего было аннотировано 41 270 генов для генома Basmati 334 и 38 329 для генома Dom Sufid. Анализ завершения гена BUSCO [52] показал, что 95,4% и 93,6% из 3278 однокопийных генов из набора данных генов liliopsida были обнаружены в аннотациях генов Basmati 334 и Dom Sufid, соответственно.

Сравнение всего генома с геномами других групп сортов риса

Мы выровняли наши черновые варианты геномных сборок с эталонной последовательностью генома японской Nipponbare [33], которая представляет собой одну из эталонных последовательностей генома самого высокого качества (рис.1а). Между геномами Nipponbare, Basmati 334 и Dom Sufid были очевидны высокие уровни макросинтении в хромосомах japonica. В частности, мы наблюдали небольшие крупномасштабные структурные различия между контигами Basmati 334 и Dom Sufid и геномом japonica. Заметным исключением была очевидная инверсия в ансамблях генома циркум-басмати на хромосоме 6 между положениями 12.5 и 18.7 Mb (координаты Nipponbare), что соответствует перицентромерной области [54]. Интересно, что в том же регионе была обнаружена инверсия между эталонными геномами Nipponbare и indica R498 [41], тогда как у сорта N22 с циркум-аусом инверсий не наблюдалось (дополнительный файл 1: Рисунок S1).В то время как вся область была инвертирована в R498, позиции инверсии не пересекались у Basmati 334 и Dom Sufid, очевидно, происходящих во многих областях перицентромеры. Мы независимо проверили инверсии путем сопоставления необработанных считываний секвенирования нанопор с эталонным геномом Nipponbare с помощью выравнивателя с длительным считыванием ngmlr [55] и программы обнаружения структурных вариаций сниффлов [55]. Sniffles обнаружил несколько инверсий, в том числе большую инверсию между положениями 13.1 и 17,7 Мбайт и от 18,18 до 18,23 Мбайт, с несколькими меньшими инверсиями, расположенными внутри самой большой инверсии (Дополнительный файл 2: Таблица S1).

Рис. 1

Точечный график, сравнивающий контиги сборки Basmati 334 и Dom Sufid с a всеми хромосомами сборки генома Nipponbare и b только хромосомой 6 Nipponbare. Показаны только блоки выравнивания с идентичностью последовательностей более 80%

Из-за высокой макросинтении с японской (рис.1a), мы упорядочили и сориентировали контиги сборок Basmati 334 и Dom Sufid, используя подход создания каркасов на основе эталонного генома [56]. И для Basmati 334, и для Dom Sufid более 99,9% собранных геномных контигов были привязаны к эталонному геному Nipponbare (Таблица 2). Каркасные хромосомы циркум-басмати были аналогичны по размеру таковым в эталонных геномах для сортов других групп сортов риса (Nipponbare [33], циркум-басматический сорт N22 [37] и сорта индика IR8 [37] и R498 [41] ]), которые были секвенированы, собраны и скаффолдинги почти до завершения (таблица 3).

Таблица 3 Сравнение размеров собранных хромосом для сортов по группам сортов

Затем мы оценили качество сборки геномов циркум-басмати, сравнивая их с доступными de novo-собранными геномами в азиатском рисовом комплексе (см. «Материалы и методы »для получения полного списка геномов). Мы создали мульти-геномное выравнивание с геномом Nipponbare, которое мы выбрали в качестве эталона, поскольку его сборка и аннотация генов являются результатом многолетних усилий сообщества [33, 57, 58].Чтобы сделать вывод о качестве участков генов в каждой из геномных сборок, мы использовали выравнивание нескольких геномов для извлечения кодирующей последовательности ДНК каждого гена Nipponbare и его ортологичных областей из каждого генома, не относящегося к японской. Ортологичные гены были подсчитаны на наличие отсутствующих последовательностей ДНК (последовательности «N») и пробелов для оценки процента охваченных генов Nipponbare. Для всех геномов большинство генов Nipponbare имело почти нулевую долю сайтов, которые отсутствовали в ортологичных генах, отличных от Nipponbare (дополнительный файл 1: Рисунок S2).Отсутствующие пропорции Nipponbare-ортологичных генов в геномах Basmati 334 и Dom Sufid были сопоставимы с таковыми для геномов, которые имели более высокую смежность сборки [37, 40, 41].

Сосредоточившись на ранее секвенированном геноме басмати GP295-1 [42], наши недавно собранные геномы циркум-басмати имели заметно меньшую долю отсутствующих генов (дополнительный файл 1: Рисунок S2). Более того, более 96% пар оснований в геноме Nipponbare можно было сопоставить с Basmati 334 (всего 359,557,873 п.н. [96.33%] генома Nipponbare) или Dom Sufid (всего 359 819 239 пар оснований [96,40%] генома Nipponbare), в то время как только 194 464 958 пар оснований (52,1%) генома Nipponbare можно было сопоставить со сборкой GP295-1.

Затем мы подсчитали однонуклеотидные и инсерционные / делеционные (indel, до ~ 60 п.н.) различия между сборками циркум-басмати и Nipponbare, чтобы оценить общее качество наших недавно собранных геномов. Чтобы избежать анализа различий между неограниченными повторяющимися областями, мы специально исследовали области, где было 20 точных совпадений пар оснований, фланкирующих сайт, который имел однонуклеотидную или инделную разницу между геномами циркум-басмати и Nipponbare.В геноме GP295-1 было 334 500 (0,17%) однонуклеотидных различий и 44 609 (0,023%) инделей по сравнению с геномом Nipponbare. Наши недавно собранные геномы имели аналогичные пропорции однонуклеотидных различий с геномом Nipponbare, где геном Basmati 334 имел 780 735 (0,22%) различий, а геном Dom Sufid имел 731 426 (0,20%). Для инделов геном Basmati 334 имел сопоставимые пропорции различий с 104 282 (0,029%) вариантами, но геном Dom Sufid имел более высокие пропорции с 222 813 (0.062%) варианты. В общем, наши черновые варианты геномов циркум-басмати имели высокую степень смежности и полноты, о чем свидетельствует сборка на уровне хромосом и сравнение с геномом Nipponbare. Кроме того, наши сборки генома были сопоставимы с геномом GP295-1, созданным на основе последовательности Illumina, по доле геномных различий с геномом Nipponbare, что позволяет предположить, что они также обладают высоким качеством и точностью.

Наши сборки генома циркум-басмати также должны быть достаточно высокого качества для детального анализа на уровне генов.Например, отличительной чертой многих риса циркум-басмати является ароматичность, и предыдущее исследование определило, что Дом Суфид, но не Басмати 334, является ароматным сортом [21]. Мы исследовали два генома, чтобы проверить наличие или отсутствие мутаций, связанных с ароматом. Существует несколько различных мутаций потери функции в гене BADh3 , которые делают сорта риса ароматными [21, 25, 26], но большинство ароматных риса несут делецию 8 нуклеотидов в положении chr8: 20,382,861-20,382,868 сборки генома Nipponbare (версия Os-Nipponbare-Reference-IRGSP-1.0). Используя выравнивание генома, мы извлекли область последовательности BADh3 , чтобы сравнить последовательность гена неароматного Nipponbare с последовательностью Basmati 334 и Dom Sufid. В соответствии с предыдущими наблюдениями [21] мы обнаружили, что геном басмати 334 без запаха не несет делеции и содержит гаплотип BADh3 дикого типа, наблюдаемый в Nipponbare. Геном ароматного Dom Sufid, с другой стороны, нес делецию 8 п.н., а также 3 однонуклеотидных полиморфизма, фланкирующих делецию.Это показывает, что геномы Basmati 334 и Dom Sufid достаточно точны для анализа на уровне генов.

Анализ гена циркум-басмати

Наша аннотация идентифицировала ~ 40 000 кодирующих последовательностей в ансамблях циркум-басмати. Мы исследовали популяционные частоты аннотированных генных моделей в наборе данных населения, циркум-басмати, чтобы отфильтровать неправильно аннотированные генные модели или гены с очень низкой частотой в популяции. Мы получили данные секвенирования Illumina от сортов, включенных в проект «3K Rice Genome Project» [7], и секвенировали дополнительные сорта для анализа в общей сложности 78 сортов циркум-басмати (список сортов см. В дополнительном файле 2: Таблица S2).Показания секвенирования Illumina были сопоставлены с геномами, приведенными в соответствии с циркум-басмати, и если средний охват генной области был <0,05 × для индивидуума, этот ген назывался делецией в этой разновидности. Поскольку мы использовали низкий порог для вызова делеции, охват геномным секвенированием разнообразия не влиял на количество обнаруженных делеций гена (дополнительный файл 1: рисунок S3). Результаты показали, что делеции генов действительно редки в популяции циркум-басмати (рис. 2а), что согласуется с их вероятной вредоносной природой.Мы обнаружили, что 31565 генов (76,5%) в геномах Basmati 334 и 29 832 генов (77,8%) в геномах Dom Sufid не имели делеций во всей популяции (список генов см. В дополнительном файле 2: Таблица S3).

Рис. 2

Эволюция последовательности гена Circum-basmati. a Частота делеций генов, аннотированных из геномов Basmati 334 и Dom Sufid. Частота была оценена на основе данных секвенирования в популяции 78 разновидностей циркум-басмати. b Группы ортологичных и паралоговых генов (i.е., ортогруппы), идентифицированные в эталонных геномах циркум-басмати N22, японской Nipponbare (NPB) и индика R498, а также в геномных сборках циркум-басмати Basmati 334 (B334) и Dom Sufid (DS) в этом исследовании. c Визуализация области генома, ортологичной гену Nipponbare Os03g0418600 ( Awn3-1 ) в геномах N22, Basmati 334 и Dom Sufid. Регионы, ортологичные Awn3-1 , обозначены пунктирной рамкой.

Было 517 генных моделей из Basmati 334 и 431 генных моделей из Dom Sufid, которые имели частоту делеций ≥ 0.3 (список генов см. В дополнительном файле 2: Таблица S4). Эти генные модели с высокой частотой делеций в дальнейшем не рассматривались. Остальные сравнивали с моделями генов N22, indica R498 и japonica Nipponbare для определения их статуса ортогруппы (рис. 2b; см. Дополнительный файл 2: Таблица S5 для списка генов и их статус ортогрупп), которые представляют собой наборы генов, которые являются ортологами и недавними паралогами друг друга [59].

Наиболее часто наблюдаемый класс ортогруппы был для групп, в которых каждая группа сортов риса имеет по крайней мере один член гена.В этом классе было 13 894 ортогруппы, состоящие из 17 361 гена из N22, 18 302 гена из Basmati 334, 17 936 генов из Dom Sufid, 17 553 гена из R498 и 18 351 гена из Nipponbare. Этот класс ортогруппы, вероятно, представляет собой набор ядерных генов O. sativa [42]. Второй по величине класс ортогрупп наблюдался для групп с генами, которые были однозначно обнаружены в обоих геномах циркум-басмати (3802 ортогруппы). Эти гены принадлежат к группе циркум-басмати.

По сравнению с генами в других группах сортов риса, гены циркум-басмати разделяют наибольшее количество ортогрупп с циркум-байтом (2648 ортогрупп), за ними следует японская (1378 ортогрупп), а наименьшее количество ортогрупп разделяют с индикой ( 663 ортогрупп). Фактически, гены из сорта индика R498 имели наименьший номер, присвоенный ортогруппе (рис. 2b в таблице-врезке), предполагая, что этот геном имел более уникальные гены, то есть без ортологов / паралогов генов из других групп сортов риса.

Вариации присутствия / отсутствия по всему геному в геномах циркум-басмати

Собранные нами геномы циркум-басмати были более чем на 10 МБ длиннее, чем геном Nipponbare, но отдельные хромосомы имели разную относительную длину (Таблица 3), что свидетельствует о значительном количестве присутствующих / отсутствие вариантов (ПАВ) между геномами. Мы исследовали PAV между геномами циркум-басмати и Nipponbare, используя два разных вычислительных пакета: (i) sniffles , в котором используются необработанные считывания нанопор, выровненные с эталонным геномом для вызова PAV, и (ii) сборщик [60] который выравнивает сборки генома друг к другу и вызывает PAV.Результаты показали, что, хотя общее количество PAV, вызываемых sniffles и assemblytics , было одинаковым, только ~ 36% PAV имели перекрывающиеся позиции (Таблица 4). Кроме того, совокупный общий размер PAV был больше для прогнозов, сделанных сниффлами , по сравнению с прогнозами сборщиков . Для последующего анализа мы сосредоточились на PAV, которые вызывались обоими методами.

Таблица 4 Сравнение вариаций присутствия / отсутствия, вызываемых двумя разными вычислительными пакетами

Распределение размеров PAV показало, что большие PAV редко встречались в геномах циркум-басмати, в то время как PAV размером <500 bps были наиболее распространенными (рис.3а). В пределах меньшего размера ПАВ размером 200-500 п.н. показали пик численности. Более тщательное изучение выявило, что положения последовательностей более 75% этих PAV размером 200-500 п.н. перекрываются с координатами перемещаемых элементов в геномах циркум-басмати (дополнительный файл 2: Таблица S6). Предыдущее исследование, основанное на данных секвенирования с коротким считыванием Illumina, сообщило об аналогичном обогащении коротких повторяющихся элементов, таких как длинные концевые повторы (LTR) ретротранспозонов, Tc1 / mariner элементов и mPing элементов среди PAV в этом диапазоне размеров [ 61].

Рис. 3

Вариации присутствия / отсутствия в геномных сборках риса циркум-басмати. a Распределение размеров вариантов наличия / отсутствия по сравнению с эталонным геномом японской Nipponbare. b Количество вариантов присутствия / отсутствия, которые являются общими или уникальными для геномов циркум-басмати. c Распределение вариаций присутствия / отсутствия по всей хромосоме для каждого генома риса циркум-басмати относительно координат генома Nipponbare

ПАВ короче 200 п.н. каждого типа повтора различались среди инсерционных и делеционных вариантов.Вставки в геномах Basmati 334 и Dom Sufid имели более высокое относительное количество повторов простых последовательностей (то есть микросателлитов) по сравнению с делециями (Дополнительный файл 2: Таблица S6). Эти вставленные простые повторы последовательности были высоко обогащены для (AT) n динуклеотидных повторов, которые в Basmati 334 составляли 66 624 п.н. из 72 436 п.н. (92,0%) повторов простой последовательности, а для Dom Sufid 56 032 п.н. из всего 63 127 б.п. (88,8%).

Между геномами Basmati 334 и Dom Sufid ~ 45% PAV имели перекрывающиеся координаты генома (рис.3b), предполагая, что полиморфизм вставки и делеции, специфичный для сорта, был обычным явлением. Мы построили PAV для каждого из наших геномов, содержащихся в кругах басмати, чтобы визуализировать их распределение (рис. 3c). Хромосомно-специфические различия в распределении PAV были замечены для каждого генома, описываемого циркум-басмати: например, в Basmati 334 хромосома 1 имела самую низкую плотность PAV, в то время как в Dom Sufid это было в случае хромосомы 2 (дополнительный файл 1: Рисунок S4). С другой стороны, оба генома показали значительно более высокую плотность ПАВ на хромосоме 10 (тест диапазона Тьюки p <0.05). Это говорит о том, что по сравнению с Nipponbare, хромосома 10 была наиболее дифференцированной с точки зрения инсерций и делеций в обоих наших геномах с указанием басмати.

Эволюция вариаций присутствия и отсутствия гена, специфичных для группы риса циркум-басмати

Доля повторяющихся последовательностей, обнаруженных в более крупных PAV (т. Е. Тех, которые> 2 kb), была высокой, тогда как между 84 и 98% крупных PAV содержали последовательности, относящиеся к мобильным элементам (дополнительный файл 2: таблица S6).Несмотря на это, эти более крупные PAV также включали потерю или усиление кодирующих последовательностей. Например, анализ онтологии генов ортогрупп генов одомашненного риса показал обогащение генов, связанных с активностью переносчиков электронов, среди как потерь, так и приобретений гена, специфичных для циркум-басмати (см. Дополнительный файл 2: Таблица S7 для результатов генной онтологии для гена, специфичного для циркум-басмати. loss и Дополнительный файл 2: Таблица S8 с результатами генной онтологии для прироста специфичных для циркум-басмати генов).

Многие из этих генных ПАВ могли играть важную роль в процессе одомашнивания риса [11].В частности, делеции генов с большей вероятностью будут иметь функциональные последствия, чем однонуклеотидные полиморфизмы или короткие инделки, и могут лежать в основе резких фенотипических вариаций. В контексте одомашнивания и диверсификации сельскохозяйственных культур это могло привести к желательным фенотипам в сельскохозяйственных средах, созданных людьми. Например, известно, что несколько фенотипов одомашнивания у риса вызываются делециями генов [35, 62,63,64,65,66].

Было 873 ортогруппы генов, для которых ни один из геномов, описанных в рамках циркум-басмати, не имел члена гена, но для которых геномы всех трех других групп сортов риса (N22, Nipponbare и R498) имели по крайней мере один член гена.Среди них было 545 ортогрупп, для которых N22, Nipponbare и R498 имели член-единственную копию гена, что позволяет предположить, что делеция этих генов как в геномах Basmati 334, так и Dom Sufid могла иметь большое влияние на циркум-басмати. . Мы согласовали данные секвенирования Illumina из нашего набора данных о популяции циркум-басмати с геномом японской Nipponbare и рассчитали частоты делеций генов Nipponbare, которые принадлежали к 545 ортогруппам (см. Дополнительный файл 2: Таблица S9, где указаны частоты делеций генов в популяции циркум-басмати для Гены Nipponbare, которые отсутствуют в Basmati 334 и Dom Sufid).Подавляющее большинство этих генов Nipponbare (509 ортогрупп или 93,4%) полностью отсутствовали в популяции циркум-басмати, что дополнительно указывает на то, что это были делеции генов, специфичных для циркум-басмати, зафиксированные в этой группе сортов.

Одним из генов, специфически удаленных в сортах риса циркум-басмати, был Awn3-1 (Os03g0418600), который был идентифицирован в предыдущем исследовании как связанный с измененной длиной ости у риса японская [67]. Уменьшение длины ости — важный признак одомашнивания, который был выбран из-за простоты сбора и хранения семян риса [68].Этот ген отсутствовал в обоих геномах циркум-басмати, и ни одна область не могла быть выровнена с генной областью Nipponbare Awn3-1 (рис. 2c). Вместо кодирующей последовательности Awn3-1 эта геномная область содержала избыток последовательностей мобильных элементов, что позволяет предположить, что в делеции этого гена могло быть задействовано накопление повторяющейся ДНК. Фланговые рукава выше и ниже Os03g0418600 были аннотированы в геномах обоих циркум-басмати и были синтеничны регионам как в Nipponbare, так и в N22.Эти фланкирующие плечи, однако, также накапливали последовательности мобильных элементов, что указывает на то, что вся эта геномная область может дегенерировать в обоих геномах риса циркум-басмати.

Затем мы исследовали статус делеции для других генов, участвующих в доместикации O. sativa . Мы сосредоточились на генах, которые ранее были вовлечены в начальную фазу одомашнивания риса [11], где гены были отобраны во время трансформации дикого риса в одомашненный рис — i.е., Rc (Os07g0211500) [19], Bh5 (Os04g0460200) [69], PROG1 (Os07g0153600) [70], OsC1 (Os06g0205100) [71] (Os06g0205100) [71], 72], GS3 (Os03g0407400) [73], qSh2 (Os01g0848400) [20] и qSW5 (Os05g0187500) [62]. Наша цель состояла в том, чтобы сделать выводы о том, могла ли история одомашнивания риса циркум-басмати отличаться от истории других субпопуляций риса. Результаты показали, что ни один из этих генов не был удален в популяции циркум-басмати (дополнительный файл 2: таблица S8).Это говорит о том, что в отличие от процесса одомашнивания африканского риса ( O. glaberrima [74]), делеции генов не были основным фактором во время начальной фазы одомашнивания риса циркум-басмати. Вероятно, многие делеции гена, которые были отобраны во время одомашнивания риса циркум-басмати, произошли в период культивирования [11], когда кулинарные или культурные предпочтения были отобраны для уникальных специфических черт циркум-басмати.

Повторяющаяся ДНК и динамика ретротранспозонов в геномах циркум-басмати

Повторяющаяся ДНК составляет более 44% совокупностей геномов басмати 334 и дом-суфидов (Таблица 2).В соответствии с геномами других видов растений [75], повторяющаяся ДНК в основном состоит из ретротранспозонов класса I, за которыми следуют транспозоны ДНК класса II (рис. 4a). Всего было аннотировано 171,1 МБ как повторяющиеся для Basmati 334 и 169,5 МБ для Dom Sufid. Количество повторяющейся ДНК в геномах циркум-басмати было выше, чем в геномах Nipponbare (160,6 МБ) и N22 (152,1 МБ), но ниже, чем в геномах индика R498 (175,9 МБ) и IR8 (176,0 МБ). Эти различия в общем количестве повторяющейся ДНК были сходны с общими различиями в размере сборки генома (Таблица 3), указывая на то, что вариации в накоплении повторяющейся ДНК в значительной степени определяют различия в размере генома у риса [76].

Рис. 4

Повторяющийся ландшафт ДНК геномов басмати 334 и дом суфидов. a Доля повторяющегося содержания ДНК в геномах с описанием басмати, представленных каждым семейством повторов. b Распределение времени вставки ретротранспозонов gypsy и copia LTR. c Филогения ретротранспозонов gypsy и copia LTR на основе гена rve . Ретротранспозоны LTR были аннотированы из эталонных геномов одомашненного и дикого риса

Мы сосредоточили наше внимание на ретротранспозонах, которые составляли большую часть ландшафта повторяющейся ДНК риса (рис.4а). Используя LTRharvest [77, 78], мы идентифицировали и аннотировали de novo ретротранспозоны LTR в геномах циркум-басмати. LTRharvest аннотировал 5170 и 5150 кандидатов LTR ретротранспозонов в Basmati 334 и Dom Sufid, соответственно (дополнительный файл 2: таблицы S10 и S11). Из них 4180 ретротранспозонов (80,9% всех ретротранспозонов-кандидатов LTR) в Basmati 334 и 4228 (82,1%) в Dom Sufid были классифицированы как ретротранспозоны LTR с помощью инструмента RepeatMasker ‘s RepeatClassifer (http: // www.repeatmasker.org). Большинство ретротранспозонов LTR происходило из суперсемейств gypsy и copia [79, 80], что составляло 77,1% (3225 gypsy элементов) и 21,9% (915 элементов copia ) ретротранспозонов LTR в геноме Basmati 334. и 76,4% (3231 gypsy элементов) и 22,8% (962 copia элементов) LTR ретротранспозонов в геноме Dom Sufid, соответственно. Сравнение содержания ретротранспозона LTR среди эталонных геномов из разных групп сортов риса (дополнительный файл 1: рисунок S5) показало, что сборка геномов почти завершена (т.е., Nipponbare, N22, Basmati 334, Dom Sufid и сорта индика IR8 и R498, а также MH63 и ZS97 [40]) имели большее количество аннотированных ретротранспозонов, чем геномы, полученные на основе данных короткого чтения (GP295-1, Circum-aus разновидности DJ123 [38] и Kasalath [39], а также разновидность индика IR64 [38]), предполагая, что в сборках генома из данных коротко читаемого секвенирования могут отсутствовать определенные повторяющиеся участки ДНК.

Благодаря механизму пролиферации транспозонов LTR, расхождение ДНК последовательности LTR может использоваться для приближения времени встраивания ретротранспозона LTR [81].По сравнению с другими эталонными геномами риса время встраивания ретротранспозонов Basmati 334 и Dom Sufid LTR было наиболее сходным с тем, которое наблюдалось для элементов в геноме N22, охватывающем окружность (дополнительный файл 1: Рисунок S5). В наших ансамблях циркум-басмати элементы суперсемейства gypsy имели более молодое среднее время вставки (~ 2,2 миллиона лет назад), чем элементы суперсемейства copia (~ 2,7 миллиона лет назад; рис. 4b).

Сконцентрировавшись на элементах gypsy и copia с геном rve (интеграза; Pfam ID: PF00665), мы исследовали эволюционную динамику этих ретротранспозонов LTR, реконструировав их филогенетические отношения в эталонных геномах четырех домашних сортов риса. группы (N22, Basmati 334, Dom Sufid, R498, IR8 и Nipponbare) и два диких вида риса ( O.нивара и О. rufipogon ; Рис. 4в). Ретротранспозоны сгруппированы в отдельные филогенетические клады, которые, вероятно, отражают повторы, принадлежащие одному семейству или подсемейству [82]. Большинство филогенетических клад обнаруживают короткие внешние и длинные внутренние ветви, что согласуется с быстрыми недавними всплесками транспозиции, наблюдаемыми в различных семействах ретротранспозонов LTR риса [83].

Суперсемейства gypsy и copia каждое содержат кладу, в которой большинство элементов происходит из O.sativa , и присутствует только среди четырех групп одомашненных сортов риса (рис. 4c, одна звездочка; координаты их генома см. в дополнительных файлах 2: таблицы S12 и S13). Элементы в филогенетической кладе суперсемейства gypsy имели сходство последовательностей (963 из 1837 ретротранспозонов) с элементами семейства hopi [84], тогда как элементы филогенетической клады суперсемейства copia имели сходство последовательностей (88 из 264) к элементам семейства osr4 [85].Элементы семейства hopi обнаружены в большом количестве копий в геномах одомашненных сортов риса [86], и эта амплификация произошла недавно [87].

Некоторые клады ретротранспозонов были ограничены определенными группами сортов риса. Суперсемейство gypsy содержало филогенетическую кладу, элементы которой присутствовали только в геномах разновидностей циркум-аус, циркум-басмати и индика (рис. 4c, двойная звезда; координаты генома см. В дополнительном файле 2: таблица S14), тогда как мы наблюдали кладу, состоящую в основном из специфичных для циркум-басмати элементов внутри надсемейства copia (рис.4c, тройная звезда; их геномные координаты см. в Дополнительном файле 2: Таблица S15). Лишь несколько представителей клады gypsy -like имели сходство последовательностей (7 из 478) с элементами семейств rire3 [88] и rn215 [89]. Известно, что члены обоих семейств присутствуют в большом количестве копий в геномах одомашненных сортов риса, но их количество различается между группами сортов japonica и indica [86], что свидетельствует о расширении rire3 — или rn215 -подобных элементов в геномы циркум-ауса, циркум-басмати и индика.Большинство специфичных для циркум-басмати элементов copia имели сходство последовательностей (109 из 113) с членами семейства houba [84], которые обнаруживаются в большом количестве копий у некоторых людей, но в меньшем частота в популяции риса [86]. Это предполагает, что семейство houba могло недавно подвергнуться расширению, особенно в геномах циркум-басмати.

Филогеномный анализ происхождения риса циркум-басмати

Мы оценили филогенетические отношения внутри и между группами сортов одомашненного азиатского риса.Наше филогенетическое дерево максимального правдоподобия, основанное на четырехкратно вырожденных сайтах из кодирующих последовательностей Nipponbare (рис. 5a), показало, что каждый сорт был монофилетическим по отношению к группе разновидностей своего происхождения. Кроме того, группа циркум-басмати была сестрой японского риса, а группа циркум-аус была сестрой индики. В соответствии с предыдущими наблюдениями, дикий рис O. nivara и O. rufipogon были сестрами риса Circum-aus и японского, соответственно [14].Хотя это предполагает, что каждая группа одомашненных сортов риса могла иметь независимых диких предков происхождения, следует отметить, что недавняя гибридизация дикого и одомашненного риса [90, 91] могла привести к сходным филогенетическим отношениям.

Рис. 5

Сравнительный геномный анализ эволюции риса циркум-басмати. Группы сортов Oryza sativa обозначены как циркум-аус (cA), циркум-басмати (cB), индика (I) и японская (J), а дикий родственник — O.руфипогон (R). a Дерево максимального правдоподобия на основе четырехкратно вырожденных сайтов. Все узлы имели поддержку начальной загрузки более 95%. b Процент генов, поддерживающих топологию, включающую японскую Nipponbare, циркум-басмати басмати 334 (B334) и Dom Sufid (DS), и O. rufipogon после теста с приблизительной несмещенностью (AU). c Результаты тестов ABBA-BABA. Показаны медианные значения D-статистики Паттерсона с 95% доверительными интервалами, определенные с помощью процедуры самонастройки.Для каждой протестированной топологии внешней группой всегда была O. barthii . d Процент генов, поддерживающих топологию, включающую циркум-аус N22, циркум-басмати и индика R498, после теста AU. e Распределение D-статистики по хромосомам для трио, включающей R498, N22 и каждый геном циркум-басмати. Полногеномная D-статистика с 95% -ным доверительным интервалом начальной загрузки показана темными и пунктирными линиями. f Модель событий примеси, которые произошли в одомашненном азиатском рисе.Направление смешения оставлено неоднозначным, поскольку тест ABBA-BABA не может определить направление потока генов

Для дальнейшего изучения филогенетических взаимоотношений между циркум-басмати и японикой мы исследовали филогенетические топологии каждого гена с участием трио Basmati 334, Nipponbare , и О. rufipogon . Для каждого гена мы проверили, какая из трех возможных топологий корневого трехвидового дерева — то есть [(P1, P2), P3], O, где O — внешняя группа O. barthii , а P1, P2 и P3 — Басмати 334 (или Дом Суфид), Ниппонбаре и О.rufipogon соответственно — были обнаружены в наибольшей доле. Для трио, включающего Basmati 334, Nipponbare и O. rufipogon , было 7581 ген (или 32,6%), а для трио, включающего Dom Sufid, Nipponbare и O. rufipogon , было 7690 генов (или 33,1%). %), который значительно отклонял одну топологию по сравнению с двумя другими с помощью теста на приблизительную несмещенность (AU) [92]. В обоих трио большинство этих генов поддерживают топологию, в которой циркум-басмати и ниппонбаре сгруппированы как сестры друг другу (рис.5b; 3881 [или 51,2%] и 4407 [или 57,3%] генов для Basmati 334 и Dom Sufid соответственно). Меньшее количество генов (3018 [или 39,8%] и 2508 [или 32,6%] генов для Basmati 334 и Dom Sufid, соответственно) поддерживало топологию, объединяющую Nipponbare и O. rufipogon .

Наш первоначальный тест топологии показал, что трио, включающее Дом Суфида, Ниппонбаре и O. rufipogon , имело более высокую долю генов, поддерживающих [(циркум-басмати, japonica), O.rufipogon ] по сравнению с тройкой, включающей Basmati 334, Nipponbare и O. rufipogon (рис. 5b). Это свидетельствует о внутрипопуляционных вариациях в количестве предков japonica или O. rufipogon в геномах циркум-басмати из-за различий в потоке генов. Для проверки интрогрессии мы использовали D-статистику из теста ABBA-BABA [93, 94]. Мы провели тесты ABBA-BABA с использованием топологии [(Basmati 334, Dom Sufid), Nipponbare или O. rufipogon ], чтобы изучить различия в интрогрессии между циркум-басмати и японикой или O.rufipogon геномов. Результаты показали достоверно положительную D-статистику для топологии [(Basmati 334, Dom Sufid), Nipponbare] (рис. 5c левая панель; z — оценка = 8,42 и D = 0,27 ± 0,032), что указывает на то, что Dom Sufid имеет больше аллелей с японикой, чем у басмати 334, из-за того, что в прошлом они больше смешивались с японикой. D-статистика, включающая топологию [(Basmati 334, Dom Sufid), O. rufipogon ], также была значимо положительной (рис. 5c, левая панель; z -оценка = 5.57 и D = 0,21 ± 0,038).

Сигнатуры смешения между геномами риса циркум-басмати и циркум-аус

Из-за обширного смешения геномов групп сортов риса [14] мы исследовали, влиял ли геном басмати поток генов с другими расходящимися группами сортов риса (т. Е. , циркум-аус или рис индика). Тест топологии был проведен для трехпопуляционного дерева видов с корнями. Для трио, включающего басмати 334, сорт Circum-Aus N22 и сорт индика R498, насчитывалось 7859 генов (или 35.3%), а для трио, включающего Dom Sufid, N22 и R498, было 8109 генов (или 37,8%), которые значительно отклоняли одну топологию по сравнению с двумя другими после теста AU. В обоих трио более половины генов поддерживали топологию группировки циркум-аус и индика как сестер (рис. 5d). Вдобавок большее количество генов поддерживало топологию группировки циркум-аус и циркум-басмати как сестер, чем топологию, группирующую индики и циркум-басмати как сестры. Это говорит о том, что группа разновидностей циркум-аус могла внести большую долю генов в циркум-басмати посредством потока генов, чем группа разновидностей индика.

Чтобы проверить наличие примеси, мы провели тесты ABBA-BABA с участием трио геномов циркум-басмати, N22 и R498. Результаты показали существенные доказательства наличия потока генов между циркум-байтом и обоими циркум-басматическими геномами — рис. 5в, правая панель; z — оценка = 5,70 и D = 0,082 ± 0,014 для топологии [(R498, N22), Basmati 334]; и z — оценка = 8,44 и D = 0,11 ± 0,013 для топологии [(R498, N22), Dom Sufid]. Чтобы проверить, была ли изменчивость в родословной циркум-ауса или индика в каждом из геномов циркум-басмати, мы провели тесты ABBA-BABA для топологии [(Basmati 334, Dom Sufid), N22 или R498].Ни один из тестов ABBA-BABA, включающих топологию [(Basmati 334, Dom Sufid), N22] (рис. 5c, правая панель; z — оценка = 1,20 и D = 0,025 ± 0,021) или топология [( Basmati 334, Dom Sufid), R498] (рис. 5c, правая панель; z — оценка = — 2,24 и D = — 0,06 ± 0,026), что свидетельствует о количестве примеси от циркум-ауса к каждому из два генома циркум-басмати были похожи.

Из-за значительного количества примесей, происходящих между циркум-аусом и циркум-басматигеномами, мы исследовали, повлияло ли это на топологический анализ, включающий трио японское, циркум-басмати и O.rufipogon (рис. 5б). В частности, мы оценили, было ли объединение japonica и O. rufipogon в качестве сестринских видов (рис. 5a) эволюционным артефактом из-за общих аллелей между циркум-басмати и циркум-аус посредством смешения. Мы проверили это, проведя тест AU на четырех популяциях, включающих циркум-аус, циркум-басмати (басмати 334 или дом суфид), японскую и O. rufipogon , проверяя, какая из 15 возможных топологий для корневой популяции с четырьмя корнями. образец (см. Дополнительный файл 1: Рисунок S6 для 15 протестированных топологий) лучше всего подходит для каждого гена.Результаты показали, что было 2774 гена с участием Basmati 334 и 2665 генов с участием Dom Sufid, где тест AU значительно отклонял одну топологию по сравнению с другими 14 топологиями (дополнительный файл 1: рисунок S6). Наиболее частой топологией (> 30% генов) была та, что оба сгруппировали japonica и O. rufipogon как сестры и сгруппировали циркум-басмати и циркум-аус как сестры, что является топологией, которая возникает, когда между циркум-басмати и циркум-аус. На втором месте по частоте встречаемости (> 20% генов) была филогения вида (т.е., [(циркум-басмати, japonica), O. rufipogon ]), и это было представлено в пять раз выше, чем остальные 13 топологий. В конце концов, этот результат частично объясняет несоответствие между полногеномной топологией дерева (рис. 5a) и топологией специфичного для генов дерева (рис. 5b). Смешивание, происходящее между циркум-басмати и циркум-аусом, привело к ложной топологической взаимосвязи в масштабе всего генома.

В целом филогеномный анализ показал, что циркум-басмати и японская имеют общего последнего общего предка, тогда как циркум-басмати смешивались с циркум-басмати в течение своей эволюционной истории (рис.5е). Затем мы проверили, повлияла ли примесь из циркум-басмати на каждую из хромосом циркум-басмати в одинаковой степени. Для обоих геномов циркум-басмати большинство хромосом имело D-статистику, которая не отличалась от значения D-статистики для всего генома или от нуля (рис. 5e). Исключением были хромосомы 10 и 11, где D-статистика начальной загрузки была значительно выше, чем оценка для всего генома.

Популяционный анализ происхождения риса циркум-басмати

Поскольку наш анализ был основан на единичных репрезентативных геномах из каждой группы сортов риса, мы сравнили результаты нашего филогеномного анализа с популяционными геномными моделями в расширенном наборе сортов риса из разных сортов риса. группы.Мы получили данные геномного повторного секвенирования с высоким охватом (> 14 ×) (полученные с помощью короткочитываемого секвенирования Illumina) от сортов ландраса в рамках проекта «3K Rice Genome Project» [7] и из ландрасов циркум-басмати, которые мы повторно секвенировали. В общей сложности мы проанализировали 24 циркум-аусовых, 18 циркум-басматских и 37 тропических староместных сортов японской (см. Дополнительный файл 2: Таблица S16 для названий разновидностей). Необработанные показания секвенирования Illumina были сопоставлены с каркасным геномом Basmati 334 и генотипированы с помощью вычислений. Всего было выявлено 4 594 290 полиморфных сайтов по трем группам сортов риса и использовано для дальнейшего анализа.

Чтобы количественно оценить взаимосвязь между циркум-байтом, циркум-басмати и японской, мы провели анализ с взвешиванием топологии [95]. Для трех популяций существует три возможных топологии, и мы провели локализованный анализ скользящего окна, чтобы количественно определить количество уникальных поддеревьев, поддерживающих каждую топологию дерева. В соответствии с результатами филогеномного анализа, вес топологии был самым большим для топологии, которая сгруппировала японские и циркум-басмати как сестры (рис. 6a; вес топологии = 0.481 с 95% доверительным интервалом [0,479–0,483]). Топология, сгруппировавшая циркум-аус и циркум-басмати вместе как сестры, весила значительно больше (вес топологии = 0,318 с 95% доверительным интервалом [0,316–0,320]), чем топология, которая группировала японские и циркум-басмати как сестры (вес топологии = 0,201 с 95% доверительным интервалом [0,199–0,203]). Это согласуется с результатами сравнительного филогеномного анализа, который обнаружил признаки потока генов между циркум-байтом и цирку-басмати.

Рис. 6

Взаимоотношения между популяциями риса с циркум-аусом (CA), циркум-басмати (cB) и японского риса (J). a Сумма весов топологии всего генома для трехпопуляционной топологии, включающей трио риса с циркум-байтом, циркум-басмати и японской. Веса топологии оценивались по окнам со 100 SNP. b Хромосомные распределения весов топологии, включающие трио риса по кругу, басмати и японскую (слева) и сумму весов топологии (справа). c Лучше всего подходит модель δaδi для риса с окр. Аусом, окр. Басмати и японской. См. Дополнительный файл 2: Таблица S17 для оценок параметров

Анализ смешения деревьев был проведен для трех популяций одомашненного риса (циркум-аус, циркум-басмати и японская) вместе с диким рисом O. rufipogon и O. barthii (Дополнительный файл 1: Рисунок S7). Мы подогнали к модели от нуля до трех краев миграции, и на трех краях миграции логарифмическая вероятность модели начала выходить на плато (дополнительный файл 1: рисунок S7B).На трех границах миграции граница миграции была подогнана между циркум-байтом и циркум-басмати (дополнительный файл 1: рисунок S7A), что соответствует нашим предыдущим результатам. Кроме того, между диким рисом O. rufipogon и циркум-басмати и между диким рисом O. barthii и японским были подогнаны края миграции. В целом, эти результаты миграции согласуются с недавними исследованиями, которые документально подтвердили наличие смешения между популяциями дикого и одомашненного риса [74, 90, 91].

Затем мы исследовали веса топологии для каждой отдельной хромосомы, так как тесты ABBA-BABA с использованием геномных сборок выявили вариации в родословной по окружности между разными хромосомами (рис. 5e). Результаты показали, что для большинства хромосом топология [(японская, циркум-басмати), циркум-аус] всегда весила больше, чем две оставшиеся топологии. Исключение наблюдалось для хромосомы 10, где вес топологии группировки циркум-аус и цирку-басмати как сестер был значительно выше (вес топологии = 0.433 с 95% доверительным интервалом [0,424–0,442]), чем вес для топологии всего генома, сгруппировавшей японские и циркум-басмати как сестры (вес топологии = 0,320 с доверительным интервалом 95% [0,312–0,328]). Это изменение преобладающей топологии все еще наблюдалось при вычислении весов для более широких локальных окон (дополнительный файл 1: рисунок S8). Другое исключение можно было увидеть для хромосомы 6, где топология всего генома [(japonica, circ-basmati), circ-aus] (вес топологии = 0.367 с 95% доверительным интервалом [0,359–0,374]) и топология примеси [(циркум-аус, циркум-басмати), япония] (вес топологии = 0,355 с 95% -ным доверительным интервалом [0,349-0,362]) имели почти равные веса. В окнах большего размера вес смешанной топологии был немного выше, чем вес полногеномной топологии (дополнительный файл 1: рисунок S8).

Чтобы оценить сценарий эволюции / одомашнивания, который мог бы объяснить наблюдаемые отношения между группами циркум-ауса, циркум-басмати и японской, мы использовали диффузионный подход программы δaδi [96] и подогнали конкретные демографические модели. к наблюдаемым частотным спектрам аллелей для трех групп сортов риса.Поскольку все три группы риса имеют признаки смешения друг с другом [7, 9, 14, 16], мы изучили 13 демографических сценариев, включающих симметричные, асимметричные модели и модели «без миграции» между группами сортов, с недавними изменениями численности популяции и без них ( Дополнительный файл 1: Рисунок S9). Чтобы свести к минимуму влияние генетической связи на демографическую оценку, полиморфные сайты были случайным образом обрезаны в окнах размером 200 кб, что привело к разделению 1918 сайтов. Наиболее подходящим демографическим сценарием был тот, который моделировал период разделения и изоляции клонов, в то время как поток генов происходил только после формирования трех популяций и в более позднее время (рис.6c; Визуализации двухмерного частотного спектра объекта и соответствия модели можно увидеть в Дополнительном файле 1: Рисунок S10). Эта наиболее подходящая модель была одной из моделей с меньшей параметризацией, которые мы тестировали, и разница в информационном критерии Акаике (ΔAIC) с моделью со вторым по величине правдоподобием составила 25,46 (см. Дополнительный файл 2: Таблица S17 для оценок параметров и максимального оценки правдоподобия для каждой демографической модели).

Генетическая структура в группе циркум-басмати

Мы использовали геномные данные популяции циркум-басмати для 78 разновидностей, выровненных по каркасному геному басмати 334, и назвали полиморфные сайты, сегрегированные в этой группе разновидностей.После фильтрации в наборе данных циркум-басмати осталось в общей сложности 4 430 322 SNP, которые использовались для изучения генетических взаимоотношений популяций в рамках циркум-басмати.

Мы провели анализ главных компонентов (PCA), используя данные полиморфизма, и обозначили каждый сорт риса циркум-басмати цветом в соответствии с его страной происхождения (рис. 7a). В PCA было предложено разделить рис циркум-басмати на три основные группы с четкими географическими ассоциациями: (группа 1) группа, проживающая в основном в Бутане / Непале, (группа 2) группа, базирующаяся в Индии / Бангладеш / Мьянме, и (группа 3) группа, базирующаяся в Иране / Пакистане.Сорта риса, которые нельзя было сгруппировать, занимали неоднозначное место по основным компонентам, что позволяет предположить, что они могут представлять собой смешанные сорта риса.

Рис. 7

Структура населения риса циркум-басмати. — график PCA для набора геномных данных популяции риса циркум-басмати с 78 сортами. Три генетические группы, обозначенные в этом исследовании, можно увидеть в цветных кружках с пунктирными линиями. b Доля участков происхождения для K = 2, 3, 4 и 5 для 78 разновидностей риса циркум-басмати.Цветовая кодировка из ( a ) указана над долей происхождения каждого образца. c Географическое распределение 78 разновидностей риса циркум-басмати с их групповым статусом, обозначенным цветом в соответствии с a . d Агрономические измерения для 78 сортов риса циркум-басмати, разделенных на три группы, обозначенные в данном исследовании. Две звездочки указывают значение p <0,01, а три звездочки указывают значение p <0,001

Чтобы лучше понять происхождение каждого сорта риса, мы использовали fastSTRUCTURE [97] и варьировали предполагаемую предковую популяцию ( K ). ) от 2 до 5 групп, чтобы можно было оценить родословную долю каждого сорта риса (рис.7б). При K = 2 было показано, что рисовые группы Индия / Бангладеш / Мьянма и Иран / Пакистан имеют различные предковые компоненты, в то время как группа Бутана / Непала была в значительной степени смесью двух других групп. При K = 3 статус группировки, обозначенный в PCA, в значительной степени соответствовал наследственным компонентам. При K = 4 большая часть риса из Индии / Бангладеш / Мьянмы имела один наследственный компонент, но рис из Ирана / Пакистана имел два наследственных компонента, которые были общими с несколькими старыми сортами Бутана / Непала.Кроме того, некоторые из культурных сортов из последней группы, по-видимому, образуют группу, смешанную с сортами Индия / Бангладеш / Мьянма. Фактически, когда филогенетическое дерево было реконструировано с использованием полиморфных участков, разновидности внутри групп Индия / Бангладеш / Мьянма и Иран / Пакистан образовали монофилетическую кладу друг с другом. С другой стороны, разновидности Бутана / Непала сформировали парафилетическую группу, в которой несколько сгруппировались с разновидностями Иран / Пакистан (Дополнительный файл 1: Рисунок S11).

Затем мы провели второй анализ fastSTRUCTURE на популяции циркум-басмати, на этот раз включая популяции японской и циркум-аусной популяций, варьируя K от 2 до 5 групп (дополнительный файл 1: Рисунок S12).С K = от 2 до 5, японские и околоземные группы всегда образовывали две отдельные генетические группы. При K = 5 три окружные генетические группы басмати, которые были обозначены в первом анализе (рис. 7), все еще наблюдались в популяции циркум-басмати. В нижнем K мы видим, что разные генетические группы циркум-басмати имели разное количество японских или циркум-басматических предков. В частности, группа Ирана / Пакистана имела более околоземное происхождение, в то время как группа Индии / Бангладеш / Мьянма имела большее происхождение от японцев.Группа Бутана / Непала снова была предложена как смесь двух других генетических групп риса циркум-басмати.

Таким образом, рис циркум-басмати эволюционировал по географическому градиенту, по крайней мере, с тремя генетическими группами (рис. 7c). Они существовали как отдельные предковые группы, которые позже смешались, чтобы сформировать несколько других разновидностей циркум-басмати. В частности, рис группы 1 и группы 3, возможно, подвергся большей примеси, в то время как староместные сорта группы 2 оставались генетически более изолированными от других субпопуляций циркум-басмати.Мы также обнаружили различия в агрономических характеристиках, связанных с выбранными нами группами (рис. 7d). Отношение длины зерна к ширине, которое является высоко ценимым признаком для некоторых видов риса циркум-басмати [24], было значительно больше у сортов группы 3 Иран / Пакистан. Вес тысячи ядер, с другой стороны, был самым высоким для разновидностей группы 2 Индия / Бангладеш / Мьянма и был значительно выше, чем у несгруппированных разновидностей и разновидностей группы 1 Бутан / Непал.

Метод эволюционной трассировки определяет функционально важные основания и сайты, общие для семейств РНК.

Образец цитирования: Новиков И.Б., Уилкинс А.Д., Lichtarge O (2020) Метод эволюционной трассировки определяет функционально важные базы и сайты, общие для семейств РНК.PLoS Comput Biol 16 (3): e1007583. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583

Редактор: Francois Major, U Montreal, CANADA

Поступила: 7 ноября 2018 г .; Принята к печати: 27 ноября 2019 г .; Опубликовано: 24 марта 2020 г.

Авторские права: © 2020 Novikov et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Авторы подтверждают, что все данные, лежащие в основе выводов, полностью доступны без ограничений. Данные, использованные для вывода в этом исследовании, включают выравнивание РНК, свободно доступное в базе данных Rfam http://rfam.xfam.org, и кристаллические структуры из банка данных протеина, также доступного на http://www.rcsb.org /. Идентификаторы доступа для этих данных перечислены в таблице S1. Метод, используемый для анализа выравнивания, доступен для скачивания по адресу https: // github.com / LichtargeLab / RNA_ET_ms.

Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным институтом здравоохранения (nih.gov), включая грант номер GM066099, GM079656, DE025181, грант Национального научного фонда (nsf.gov) номер DBI1356569 и Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны. (darpa.mil), номер гранта N66001-15-C-4042. Все гранты были присуждены OL. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Функциональные некодирующие (fnc) РНК представляют собой широкий класс функциональных макромолекул, которые регулируют транскрипцию и трансляцию, поддерживают стабильность генома [1] и играют роль в заболеваниях. Они встречаются в процессе эволюции и включают как классические, так и несколько новых форм, открытых за последние 30 лет. Хорошо известные классические РНК в первую очередь касаются трансляции: это рибосомная (r) РНК, транспортная (t) РНК, малая ядрышковая (sno) РНК и фермент созревания тРНК РНКаза P.Новые классы РНК включают самосплайсирующие рибозимы, которые контролируют репликацию вирусов, рибопереключатели, регулирующие метаболизм малых молекул в бактериях, малые регуляторные РНК (микроРНК), которые регулируют трансляцию мРНК у эукариот, и совсем недавно длинные некодирующие (lnc) РНК, которые влияют на пре- и посттранскрипционную экспрессию генов [2]. Таким образом, функциональные некодирующие РНК разнообразны и вносят значительный вклад в метаболизм клеток. Важно отметить, что фнкРНК связаны с болезнями человека. Например, мутации в митохондриальной РНКазе P связаны с гипоплазией хрящей и волос [3], делеция промотора, который управляет экспрессией snoRNA HBII-85, способствует развитию синдрома Прадера-Вилли [4], а также мутации в hTR, компоненте РНК теломеразы ДНК. , способствуют врожденному дискератозу [5].Более того, малые регуляторные РНК нарушаются при раке, сердечно-сосудистых заболеваниях и нейродегенеративных расстройствах [6], и исследования показали, что экспрессия фнкРНК значительно нарушена в линиях раковых клеток [7]. Длинная некодирующая РНК MALAT1 напрямую связана с метастазированием рака легких и желудка [8, 9]. Эти и другие fncRNA представляют собой совершенно новый класс мишеней, поддающихся лечению. Действительно, уже разработан ряд ингибиторов для нацеливания на патогенные fncRNA, включая рибопереключатели [10] и рибосомы [11].Учитывая растущее признание роли fncRNA в здоровье человека [12], важно понимать детерминанты функции этих молекул.

Чтобы понять структуру и функцию фнкРНК и нацелить их на терапию, главный вопрос заключается в том, какие нуклеотиды в данной молекуле вносят вклад в функцию? До сих пор ответы основывались на определении структуры и целенаправленном мутагенезе. Во-первых, вторичные или третичные структуры РНК решаются с помощью любого количества методов влажной лаборатории, таких как рентгеновская кристаллография, ЯМР, ферментативное или химическое зондирование [13], или с помощью алгоритмов in silico [14–18].На основе структурной модели конкретные нуклеотиды затем могут быть нацелены на мутагенез, как в [19]. Эта классическая экспериментальная парадигма требует значительных ресурсов и зависит от подходящих биохимических анализов, клеточных линий и жизнеспособных мутантов.

В исследованиях белков аналогичная проблема идентификации функционально важных аминокислотных остатков была эффективно решена с помощью методов прогнозирования, в первую очередь Evolutionary Trace, который является единственным наиболее подтвержденным подходом [20].Однако в исследованиях РНК в настоящее время нет хорошо проверенных вычислительных альтернатив экспериментальной парадигме (одним исключением является ориентированный на белок веб-инструмент ConSurf, который недавно добавил возможность оценивать сохранение последовательностей нуклеиновых кислот [21]). Поскольку эта область только зарождается, большинство инструментов анализа последовательностей РНК, таких как GERP ++ и PhastCons [22, 23], используются в основном в геномном контексте для идентификации новых экзонов или нкРНК, и на практике они не применимы к однонуклеотидным функциональным группам. анализ отдельных молекул РНК.

Кроме того, традиционной целью анализа последовательностей в РНК было моделирование вторичной и третичной структуры посредством обнаружения канонических пар оснований Уотсона-Крика. Первые исследования ко-вариации гомологов привели к вторичным структурам тРНК [24], 5S рРНК [25] и автокаталитических интронов [26]. Предсказание структуры с помощью анализа последовательности РНК дальше развивалось с помощью контекстно-свободных грамматических алгоритмов [27], а недавние достижения в этой области связаны с предсказанием неканонических дальнодействующих третичных контактов в более крупных молекулах [28].В отличие от ET, эти методы в первую очередь нацелены на предсказание структуры и не дают прямого анализа эволюционного значения на однонуклеотидном уровне.

Чтобы удовлетворить эту потребность, мы стремились адаптировать Evolutionary Trace [29, 30] для предсказания функциональных нуклеотидов в РНК на основе их эволюционной истории. Evolutionary Trace — это метод определения функционально важных остатков в белках. Он коррелирует вариации последовательностей с эволюционными расхождениями, чтобы ранжировать позиции последовательностей как более (или менее) важные для функционирования (рис. 1).Поступая таким образом, ET делает два предположения. Во-первых, вариации последовательности во время эволюции и видообразования сродни выборке пространства последовательностей-функций посредством влажных лабораторных мутаций. Во-вторых, глубина расхождения между двумя последовательностями соизмерима с их функциональным различием, то есть эта глубина является количественной оценкой функционального расстояния. Если это так, систематический подсчет вариаций в любом заданном положении множественного выравнивания последовательностей, которые отслеживаются в основном с глубокой (или небольшой) филогенетической дивергенцией, позволит ET присвоить каждой последовательности больший (или меньший) относительный ранг эволюционной важности. позиция.Совсем недавно было признано, что такое систематическое соединение вариаций в пространстве последовательностей (генотип) с вариациями в эволюции (пространство пригодности) может быть формально преобразовано в градиент эволюционного отображения генотипов на ландшафт приспособленности [31] . Рассмотрение ET как градиента эволюционного ландшафта, предположительно основополагающей особенности биологии, помогает объяснить, что относительно простой процесс in silico отслеживания филогенетических деревьев и выравнивания гомологичных последовательностей (см. Методы) приводит к разнообразному и полезному пониманию молекулярных структур. основа функции белка.Нацеливая мутации на верхние позиции последовательности (так называемые остатки ЕТ), исследования под руководством ЕТ идентифицируют интерфейсы белок-белок [32–34], аллостерические [35] и сайты связывания лиганда [36], перекодируют специфичность лиганда [35 ], сконструировал функционально-активные пептиды [37] и в структурном протеомном масштабе расчетно предсказал функцию орфанных белков [38, 39].

Рис. 1. Модель эволюционного следа.

Для набора гомологов ET количественно определяет корреляцию между дивергенцией филогенетического дерева и вариацией последовательностей.Нуклеотиды ET, где корреляция наиболее высока, считаются эволюционно и функционально важными. Они группируются по структуре и предсказывают функциональные сайты. Кроме того, качество структурной кластеризации нуклеотидов ET может быть измерено, а затем оптимизировано для улучшения предсказания функционального сайта.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g001

Возникает естественный вопрос, можно ли получить аналогичное представление о РНК, преобразовав формализм ЕТ с аминокислотных последовательностей в нуклеотидные последовательности.Это легко проверить, поскольку в белках верхние ранжированные остатки ET обладают хорошо установленными общими свойствами, лежащими в основе успеха метода: (1) ET может ранжировать положения аминокислотных последовательностей от наиболее до наименее важных, так что те, которые находятся в верхних 30 -м процентиле , являются называется остатками ET. (2) Эти остатки ЕТ кластеры в трехмерной структуре молекулы [40] и (3) перекрывают ее функциональные сайты [32]. (4) Важно то, что качество структурной кластеризации остатков ET влияет на качество перекрытия функциональных сайтов [41].И, наконец, (5) качество перекрытия может быть улучшено с помощью оптимизированного выбора последовательностей, который максимизирует кластеризацию ET [42] и минимизирует различия рангов соседних остатков (структурное сглаживание рангов ET) [43].

Таким образом, чтобы обобщить использование ET для последовательностей РНК, мы попытались проверить, проявляют ли нуклеотиды ET эти пять свойств. Мы применили наши тесты к репрезентативному набору молекул РНК из базы данных Rfam [44] (рис. 2A) и обнаружили, что основания ET подчиняются тем же общим правилам, что и остатки ET.В частности, мы сосредоточились на подмножестве хорошо охарактеризованных РНК с известными третичными структурами (рис. 2В), которые составляют 7% нашего тестового набора и также достаточно репрезентативны для общей биологии РНК. На практике данные показывают, что Evolutionary Trace может быть легко применен к множественному выравниванию последовательностей гомологичных фнкРНК для идентификации нуклеотидов, имеющих функциональное значение.

Рис. 2. Набор тестов Rfam представляет широкий выбор функциональных РНК.

На рисунке (A) показаны семейства Rfam, которые мы использовали в нашем тестовом наборе.В (B) — это подмножество тестовых семейств Rfam, которые сопоставляются со структурами высокого разрешения в банке данных белков (PDB), что позволяет нам изучать трехмерную кластеризацию по нуклеотидам ET.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g002

Методы

Измерение важности нуклеотидов с помощью реального значения ET

Для измерения важности нуклеотидов мы используем эволюционный след (рис. 1). Первым шагом в анализе ET является создание репрезентативного выравнивания множественных последовательностей (MSA) для запрашиваемой последовательности и ее гомологов.Здесь мы используем вручную подобранные выравнивания семян из базы данных Rfam [44], каждое из которых имеет не менее 10 канонических последовательностей. Выравнивание используется для построения филогенетического дерева UPGMA, после чего оба этих дерева отслеживаются. ET выполняет итерацию по столбцам последовательностей и присваивает ранг в зависимости от того, насколько близко вариация последовательности в столбце коррелирует с ветвлением дерева (обратите внимание, что пробелы рассматриваются как нуклеотид). Алгоритм ET первого поколения [29, 32] выражает ранг как: (1) где r i — это ранг остатка в позиции i , N — общее количество последовательностей в дереве, а N -1 — количество узлов.Чтобы вычислить r i , мы перебираем каждый узел n , начиная с одного, ближайшего к корню (n = 1), и разделяем последовательности в выравнивании на подгруппы g на основе топологии дерево. Поскольку дерево является двоичным, на уровне узла n дерево делится на группы g = n . Это разделение дерева на подгруппы показано на рис. S1. Мы присваиваем от 0 до δ (n) , если остаток в позиции i инвариантен внутри всех групп последовательностей g, и 1 в противном случае.Таким образом, эволюционно важные нуклеотиды, которые закреплены в основных ветвях, получат более низкий абсолютный ранг r i , чем остатки, которые продолжают изменяться при обходе дерева.

Чтобы проиллюстрировать последний пункт, рассмотрим два крайних примера. Во-первых, столбец последовательности, который полностью сохранен, получит ранг ET r = 1. Поскольку столбец сохраняется, δ ( n ) равно 0 на каждом шаге n в функции суммирования в уравнении (1). .Соответственно, окончательная сумма равна 0, а рейтинг ET столбца равен 1, наименьший абсолютный рейтинг ET (соответствующий наивысшему уровню эволюционной важности). Напротив, рассмотрим столбец, который продолжает изменяться, пока не будет разделен на N-1 подгруппу (по сути, каждая последовательность находится в своей собственной подгруппе). Для такого столбца на каждом шаге n , δ ( n ) = 1, а конечный ранг r = N , самый низкий возможный ранг для выравнивания последовательностей N .

Этот подход дает целочисленные ранги и страдает от того, что каждый узел рассматривается как одинаково важный, что не всегда верно. Чтобы решить эту проблему, мы разработали ET (rvET) [20, 30], расширяющий базовый метод, который использует информационную энтропию для взвешивания филогенетических ветвей в соответствии с сохранением их последовательности: (2) где — частота встречаемости амино (или нуклеиновой) кислоты a в группе последовательностей g , которая принадлежит узлу n . Теперь, когда мы пересекаем дерево, мы суммируем, а затем усредняем информационную энтропию для каждого из суб-выравниваний g , наблюдаемых при разбиении дерева на n узлов.Это позволяет нам получать более разрешенные ранги r i , которые более устойчивы к несоответствиям последовательностей, при этом учитывая филогенетическую историю дерева.

Из двух описанных здесь реализаций ET мы используем в своей работе более продвинутую ET с реальным значением (rv). Применяя rvET к выравниванию гомологов РНК, мы приходим к относительному ранжированию эволюционной важности для каждой позиции в выравнивании. На практике мы нормализуем ранги до процентильных рангов или охвата.Охват 5% включает верхние 5% нуклеотидов с самым высоким рейтингом и так далее. Условно мы называем нуклеотиды, ранжируемые между 0% и 35% отсечения ранга ET (охват 35% ET), как нуклеотидов ET . Выбор 35% продиктован нашим предыдущим опытом работы с белками, где остатки белка, ранжированные примерно между 20–30% покрытия ранга ET, соответствуют наиболее важным функциональным сайтам белка.

Измерение кластеризации и перекрытия нуклеотидов

Чтобы измерить структурную кластеризацию по нуклеотидам ET, мы разработали концепцию Selection Clustering Weight (SCW), подробно описанную в [45].Вкратце, для набора нуклеотидов S , Selection Clustering Weight, w , представляет собой количество структурных контактов, образованных членами S . Для вычисления w представим структуру в виде матрицы смежности A : (3) где d — расстояние между любыми двумя нуклеотидами i и j , а контакт обозначается как A (i , j) = 1 , если d составляет 4Å или меньше. Используя функцию выбора S (x) (которая возвращает 0, если нуклеотид x не найден в S , и 1 в противном случае), мы перебираем A и вычисляем w : (4)

Чтобы оценить статистическую значимость w , мы сравниваем его со средним ожидаемым весом кластеризации 〈 w 〉 по случайному набору нуклеотидов того же размера, что и S .Мы выражаем разницу между весом кластеризации набора нуклеотидов S и случайными нуклеотидами в виде z-показателя кластеризации z c : (5) где σ — стандартное отклонение 〈 w 〉. Как 〈 w 〉, так и σ можно рассчитать аналитически, как описано в [39]. Используя эту процедуру, мы рассчитали статистическую значимость кластеризации по нуклеотидам ET.

Подобно кластеризации z-показателя, мы вводим z-показатель перекрытия z o , чтобы оценить, насколько хорошо нуклеотиды ET предсказывают функционально значимые сайты.Учитывая заранее определенный набор функциональных нуклеотидов размером M и набор нуклеотидов ET размером n в молекуле длиной N , мы можем использовать гипергеометрическое распределение для расчета среднего ожидаемого перекрытия между ними: (6) где m — количество функциональных нуклеотидов, которое можно было бы ожидать при выборе размера n, если бы выбор был случайным. Стандартное отклонение м определяется по формуле: (7)

Если фактическое наблюдаемое количество функциональных нуклеотидов в выбранном наборе составляет k , мы можем вычислить z-оценку перекрытия z o как: (8)

Наконец, на практике мы вычисляем как кластеризацию, так и перекрывающиеся z-баллы по всему диапазону рангов ET.Мы кумулятивно объединяем нуклеотиды в соответствии с их рангом ET, так что выбор S соответствует всем нуклеотидам с определенным порогом ранга ET (охват ET), а затем измеряем z-баллы в каждом интервале. Поскольку нас интересуют нуклеотиды с наивысшим рейтингом, мы усредняем z-баллы в ячейках от 0 до 35% перцентиля ранга (от 0 до 35% покрытия ET), чтобы получить единичный показатель, Также обратите внимание, что максимально возможное количество уникальных рангов и интервалов рангов составляет L , длина последовательности запроса.Однако несколько нуклеотидов могут иметь один и тот же ранг, в результате чего ряд уникальных ранговых ячеек остается пустым (не присваиваемым никаким нуклеотидам). Мы по-прежнему включаем эти интервалы в совокупный показатель, неявно присваивая им z-оценку из ближайшего действительного интервала.

Измерение гладкости ET

Помимо количественной оценки кластеризации ET как z-показателя кластеризации, мы также определили глобальную меру кластеризации, которую мы называем гладкостью ET , SMT . SMT отражает, насколько плавно ранги ET распределяются по структуре путем подсчета разницы рангов соседних нуклеотидов: (9) где A — матрица смежности, как описано ранее, а x — ранг ET нуклеотидов.В исходной работе, посвященной гладкости [43], мы установили, что эволюция имеет тенденцию минимизировать разницу в эволюционной важности между соседними остатками, потому что остатки оказывают селективное давление друг на друга.

Набор для испытаний Rfam

Мы проследили выравнивание семян 1070 семейств из базы данных Rfam, каждое семейство содержало минимум 10 уникальных канонических последовательностей (рис. 2А). Из них 71 семейство с доступными структурами высокого разрешения составило структурированный тестовый набор, который мы протестировали для трехмерной кластеризации ET (рис. 2B).Кроме того, для набора из 15 семейств мы составили «золотой стандарт» для проверки перекрытия с нуклеотидами ET. Эти наборы тестов Rfam перечислены в таблице S1. Кроме того, рибосомный «золотой стандарт» указан сам по себе в таблице S2.

Результаты и обсуждение

Пример # 1: рибозим Hammerhead

Первым тестом на ET был рибозим «головка молотка», цис-расщепляющая структура, наиболее часто встречающаяся в растительных вирусах, которая участвует в репликации катящегося круга, расщепляя зарождающийся транскрипт [46, 47].Мотив «головка молотка» не ограничивается вирусами, и новые члены этого семейства были недавно описаны у бактерий и эукариот [46], где они могут поддерживать процессинг тРНК и миРНК, ремоделирование ORF и ингибирование РНКи. Полноразмерная последовательность головки молотка составляет 60 нуклеотидов, а структура определяется тремя короткими спиралями, которые встречаются в месте соединения (Рис. 3A, PDBID 2QUS [48]). Есть два основных функциональных домена, каталитическое ядро, которое охватывает трехстороннее соединение и отвечает за расщепление, и дистальная область, определяемая взаимодействиями тетрапетли стебля I-стебель II, которые способствуют эффективному складыванию [49].Нуклеотиды, составляющие эти два домена, обозначены на фиг. 3A. Эволюционный след был вычислен на 26 неизбыточных выровненных последовательностях рибозимов типа «голова молота» класса I и класса II, которые представляли основные ветви вирусов растений. Это привело к нормализованному ранжированию ET каждой базовой позиции от 0% (наиболее важная для эволюции) до 100% (наименее важная), которые были нанесены на структуру на рис. 3A. Это отображение выделяет два кластера оснований ET, определяемых процентилем ранга ET ниже 35% (в дальнейшем называемых основаниями ET или нуклеотидами ET).Первый из этих кластеров состоит из 12 нуклеотидов ЕТ и перекрывает каталитический переход. Второй кластер состоит из 5 нуклеотидов ET и перекрывает дистальную область тетрапетли. Функциональные нуклеотиды и их соответствующие домены перечислены на фиг. 3A.

Рис. 3. Кластер нуклеотидов ET и предсказание функциональных сайтов в рибозиме «головка молотка».

(A) Ранги ET, картированные в структуре «головки молотка», выявляют кластеры нуклеотидов ET, которые перекрывают канонические функциональные сайты (меченые нуклеотиды).(B) Кластеризация нуклеотидов ET статистически значима. (C) Z-оценка перекрытия ET подтверждает, что нуклеотиды ET информируют оба канонических функциональных сайта. (Для расчета конкретных сайтов мы исключаем другие известные сайты из рассмотрения).

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g003

Поскольку кластеризация по остаткам ET является определяющей особенностью аминокислотной ET, мы оцениваем кластеризацию нуклеотидов ET в головке молота. Вкратце, чтобы количественно оценить кластеризацию нуклеотидов ET, мы вычисляем количество попарных структурных контактов (расстояние 4Å или меньше) между нуклеотидами ET, w , и сравниваем его с количеством контактов, образованных таким же количеством нуклеотидов, выбранных случайным образом, 〈 w 〉.Затем, используя стандартное отклонение, связанное со случайным отбором, σ, мы выражаем значимость кластеризации по нуклеотидам ET как z-оценку. наблюдаемое количество базовых контактов ET из числа контактов, ожидаемых случайным образом, а z-значения 2 и выше обозначают статистическую значимость. См. Подробности в разделе «Методы».

Используя эту метрику, мы рассчитали кластеризацию нуклеотидов в форме головки молотка, объединенную кумулятивно в соответствии с их рангом ET.Мы рассчитали z c для каждого бина от 0 до 35% покрытия ET (ранговый процентиль) и обнаружили, что нуклеотиды ET кластерируются со средним z-значением (рис. 3B). Неудивительно, что профиль кластеризации на рис. 3B подобен поведению остатков ET в белках, наблюдаемых в нашей предыдущей работе [41]. Мы наблюдали высокий начальный z-показатель, свидетельствующий о кластеризации оснований ET с гипотетическим образованием основного функционального сайта, за которым следует снижение по мере того, как мы расширяем охват ET, чтобы включить нуклеотиды с более низким рангом.Эти данные подтверждают кластеризацию нуклеотидов ET в структуре, чего мы не ожидали бы, если бы выбор нуклеотидов был случайным.

Затем мы оценили второе основное свойство ET: перекрытие между нуклеотидами ET и функциональными сайтами молекулы. Чтобы измерить статистическую значимость перекрытия в головке молота, мы подсчитали количество баз активных сайтов в каждом бункере ET, k , и сравнили это с количеством баз активных сайтов, которое ожидается восстановить при случайном выборе, m .Случайный выбор был смоделирован как гипергеометрическое распределение и имел соответствующее стандартное отклонение, которое позволило нам преобразовать k в z-оценку перекрытия z o (подробности см. В разделе «Методы»).

Мы рассчитали z-показатель перекрытия для головки молота как функцию от покрытия ET, и он показан на рис. 3C, а основные данные представлены в таблице S3. Первая точка на кривой (z o = 3,6 при 23% -ном покрытии ЕТ) соответствует перекрытию ЕТ с каталитическим ядром молекулы.За этим следуют два сильных всплеска, первый из которых соответствует восстановлению наиболее важных нуклеотидов во втором функциональном сайте (z o = 4,5 при покрытии ET 32%), а затем восстановлению оставшихся нуклеотидов в каталитическом ядре (z o = 4,6 при 41% покрытии ET). После этого каждый дополнительный спайк соответствует восстановлению функционального нуклеотида по более низкому порогу ЕТ. Эти данные показывают, что нуклеотиды ET (диапазон 0–35%) сильно перекрывают два активных сайта головки молотка (средний z-показатель).В дополнение к z-баллу перекрытия, мы также измерили качество прогноза ET более традиционным способом, используя кривые характеристики приемник-оператор (ROC), и ранжирование ET восстанавливает активные сайты в форме головки молотка с AUC = 0,82 (S2A, рис.).

Далее мы исследовали кластеры ET более подробно. Основной 12-нуклеотидный кластер ET перекрывает 16-нуклеотидный каталитический сайт в «головке молотка» [19] со средним z-значением для сайта и AUC 0,87 (центр рис. 3B и S2B , рис. ). Примечательно, что кластер ЕТ содержит ключевые каталитические нуклеотиды G12 и G8 (оба с процентилем ранга ЕТ 23%), которые являются основным основанием и кислотой в реакции расщепления.Кластер ET также обогащен термодинамически дорогостоящими неспаренными нуклеотидами (A6, G5, U4) и нуклеотидами, спаренными неканоническим образом Хугстена (C3 образует пару Хугстена с U7 и G8, C17 с A13 и U16.1). Базы с высоким рейтингом, по-видимому, выполняют критическую функциональную роль, сохраняемую в процессе эволюции, что приводит к их высшим рейтингам ET. Важно отметить, что мутации в 11 из 12 нуклеотидов в этом кластере ET полностью устраняют активность расщепления [19]. Эти данные подтверждают, что кластер ET напрямую перекрывает основной функциональный сайт головки молотка.

Следует отметить, что четыре основания в каталитическом ядре (U16.1, C17, U7 и G1.1) не являются частью 12-нуклеотидного кластера ET, поскольку их рейтинг ET составляет 36%, 52%, 77% и 96% попадают ниже порога 35%, который мы использовали для определения кластера ET. В то время как U16.1 преодолевает порог в 35% и на практике будет считаться частью кластера ET, три другие базы требуют более тщательного изучения. Их значительно более низкие ранги предполагают, что эти позиции могут находиться под меньшим функциональным давлением или, возможно, что существует внутренняя функциональная устойчивость к мутациям.Чтобы проверить эту гипотезу, мы тщательно исследовали каталитический механизм «головки молотка» и функциональную роль этих трех нуклеотидов.

Хотя два нуклеотида G1.1 и C17 (процентиль ранга ET = 96% и 52%) непосредственно участвуют в реакции (C17 является нуклеофилом, и его активированная 2′-гидроксильная группа атакует фосфатную группу сидячей G1.1 [48 ]), критический путь переноса электронов проходит вдоль сахарно-фосфатного остова, а не их азотистого основания. В результате ни один G1.1, ни нуклеотид C17 не находится под сильным селективным давлением. Действительно, прямые мутационные исследования показали, что позиция 1.1 вмещает все четыре основания, а C17 также может вмещать гуанин и аденин (снижение активности на 20% [19]). Тем не менее, C17 образует неканоническую пару Hoogsten с коровым нуклеотидом A13 и, возможно, в результате не может аккомодировать урацил (снижение активности в 500 раз [19]). В соответствии с этим большим давлением отбора, C17 имеет значительно лучший рейтинг ET (52%), чем сидячий G1.1 (96%).

Другое заметное исключение в каталитическом ядре — U7 (процентиль ранга ET = 77%). Это основание вложено среди 12 нуклеотидов ET, что несовместимо с его очевидной мутационной свободой. Тем не менее, исчерпывающие исследования мутагенеза подтвердили, что U7 допускает замену [19]. В то время как замена любого из 12 нуклеотидов ЕТ в каталитическом ядре снижает активность от 10 до 1000 раз, мутации U7 не влияют на скорость реакции. Таким образом, базовая идентичность U7 не является структурно или функционально критичной в соответствии с более низким рангом ET.

В отличие от этих данных, есть свидетельства того, что последнее исключение, U16.1, которое перекрывает порог ET (рейтинг ET = 36%), является критически функциональным. Это основание расположено близко к ядерным нуклеотидам G12 и C17 (общее основание и нуклеофил в реакции расщепления), и недавнее исследование показало, что U16.1 может быть ответственным за координацию Mg 2+ в связывающем кармане, образованном тремя основаниями. [50]. Предполагаемая роль иона — снизить p K a G12, чтобы сделать его более реактивным по отношению к C17.Следовательно, в отличие от трех исключений с низким рейтингом, U16.1, вероятно, является функциональным, о чем свидетельствует его ранг, близкий к пороговому. Вместе эти данные показывают, что ранги ET основных каталитических нуклеотидов замечательно согласуются с мутационной и биохимической интерпретацией их функциональной роли.

Затем мы исследовали апикальный кластер, образованный пятью нуклеотидами ЕТ (U19, G20, G22, U44 и A46) в петлях стебля I и II. Этот кластер ET перекрывает домен tetraloop-tetraloop из 11 оснований головки молотка (обозначенный как Distal region на фиг. 3A), который важен для эффективного сворачивания ядра головки молотка [49].Внутри домена нуклеотиды ET образуют структурно критические связи между двумя стволами: U19 стержня I образует пару с A46 стержня II, тогда как G20 и G22 связываются с G45. Примечательно, что эти взаимодействия являются энергетически неблагоприятными парами Уотсона-Крика / Хугстина, что предполагает, что голова-молот поддерживает их в процессе эволюции, потому что они функциональны. Последний нуклеотид ET в этом кластере, U44, не образует межстебельных взаимодействий, предполагая, что он выполняет иную структурную роль. Из оставшихся шести (не-ET) оснований в домене только два образуют неканонические взаимодействия, и одно из них (U21) имеет рейтинг чуть ниже порога ET (процентиль ранга ET = 39%).Эти данные показывают, что ET различает более и менее важные нуклеотиды в этом домене. В целом, основания ET перекрываются с дистальным доменом со средней z-оценкой, и ET предсказывает этот домен с AUC 0,76 (рис. 3C справа и S2C рис).

Примечательно, что две группы ET соответствуют принятой двухступенчатой ​​модели складывания головки молотка. В этой модели ствол I и II дистальной области складываются первыми, тем самым способствуя эффективному складыванию каталитического ядра [51]. Каталитическое ядро ​​универсально консервативно, и действительно, ET действует очень похоже на сохранение последовательности при его идентификации, как показано на фиг. S3A (z-оценка перекрытия) и S3B фиг. (ROC-кривая).

Однако в дистальной области отсутствует очевидная консервация последовательности. В результате его открытие было отложено на несколько лет, поскольку исследователи сосредоточились исключительно на консервативном каталитическом ядре. В конце концов, кинетические и химерные исследования на полноразмерной части головки молотка [49, 51] показали, что тетрапетля является функционально важным доменом. Ранжирование баз в соответствии с консервативностью последовательностей не позволяет выявить тетрапетлевой домен, а ET превосходит сохранение как по показателю z-показателя (рис. S3C, средний z-показатель перекрытия по сравнению с 0.41), и ROC AUC (S3D Fig, AUC = 0,76 против AUC = 0,63). ET обнаруживает дистальные тетрапетли, потому что, хотя они довольно изменчивы по всему дереву, они сохраняются в пределах своих соответствующих ветвей класса I и класса II. ET обнаруживает этот образец базовой вариации, что приводит к большей предсказательной способности. Ранжирование на основе сохранения, отображаемое на структуру на S4 Fig, подчеркивает эту разницу между ET и сохранением последовательности.

Итак, эти данные показывают, что ET обнаруживает кластеры эволюционно важных оснований, которые определяют функциональные домены головки молотка.Экваториальный кластер ET перекрывает каталитическое ядро ​​головки молотка, а апикальный кластер ET перекрывает наиболее важные основания в тетрапетлевом домене. Примечательно, что ET превосходит консервацию при подсчете оснований в тетрапетлевом домене, потому что он принимает во внимание эволюционную историю молекулы. Кроме того, если биохимические данные доступны для отдельных нуклеотидов, они удивительно согласуются с рангами нуклеотидов, присвоенными ET.

Пример # 2: Бактериальная рибосома

Второй модельной системой РНК для тестирования ET была бактериальная рибосома.Рибосома — это универсально консервативный рибонуклеиновый комплекс, который синтезирует полипептиды из матриц мРНК. Зрелые бактериальные рибосомы состоят из двух молекул РНК, рибосомной (р) РНК 16S и 23S, а также более 50 рибосомных белков, которые связывают рРНК во время сборки. Первоначально считалось, что РНК-компонент рибосомы играет в первую очередь структурную роль, но кристаллические структуры с высоким разрешением показали, что рРНК, по сути, ответственны за каталитическую активность рибосомы.16S рРНК декодирует сообщение мРНК путем избирательного связывания ацилированных тРНК [52], в то время как 23S рРНК катализирует образование пептидной связи [53] (Рис. 4A, PDBs 2WDK и 2WDL [54]). Неудивительно, что рибосома является важной мишенью для лекарств, на сегодняшний день разработано более 50 бактериальных антибиотиков [10].

Рис. 4. ET-картирование выявляет кластеры, которые перекрывают активные сайты в рибосоме.

ранги ET отображаются на структуру в (A). Обратите внимание на непрерывный кластер ET, который охватывает обе субъединицы и содержит центр пептидилтрансферазы (PTC) и центр декодирования.Оба подробно показаны на (B) и (C), где помечены известные каталитические нуклеотиды.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g004

Следы для 16S и 23S РНК были вычислены с использованием курированных выравниваний бактериальной рРНК, предоставленных как часть [55]. Ранги ET, нанесенные на карту в трехмерной структуре РНК (рис. 4A), показали, что нуклеотиды ET сгруппированы в структуре (средний z-балл кластеризации ET в 16S и 32,8 в 23S, рис. 5). Более того, нуклеотиды ET широко перекрывают основные функциональные сайты в рибосоме — центр пептидил-трансферазы в 23S и центр декодирования в 16S (соответствующие нуклеотиды отмечены на рис. 4B и 4C).Количественная оценка перекрытия для этих и других основных функциональных сайтов обобщена на рисунке 6 (соответствующие кривые ROC см. На рисунке S5, в таблице S2 указаны нуклеотидные определения каждого активного сайта и в таблице S4 указано исходное количество функциональных нуклеотидов, восстановленных при пороге ET 35%. ). Более подробно, в 16S рРНК основания ET перекрывали центр декодирования (среднее значение AUC = 0,91), E-, A- и P-сайты тРНК (среднее значение AUC = 0,88), а также канал мРНК (среднее значение Z-показатель перекрытия ET, AUC = 0,98). В 23S рРНК кластер ЕТ перекрывает центр пептидилтрансферазы (среднее значение, AUC = 0.94), сайты связывания тРНК (среднее значение и AUC = 0,86), а также центр, связанный с GTPase (среднее значение, AUC = 0,72) и петля сарцин-рицин (среднее значение, AUC = 0,85). Эти данные показывают, что ET обнаруживает критически важные активные сайты в рибосоме.

Рис. 6. ET предсказывает функциональные сайты в рибосоме.

(A) Перекрытие между основаниями ET и функциональными сайтами в 16S РНК. Сайтами являются: центр декодирования (DC), сайты связывания тРНК, канал мРНК, сайты связывания фактора трансляции (TF), сайты контакта структурных белков, сайты связывания антибиотиков и модифицированные основания.(B) Перекрытие между основаниями ET и функциональными сайтами в 23S рРНК. Сайты представляют собой центр пептидилтрансферазы (PTC), сайты связывания тРНК, петлю сарцин-рицина (SRL), центр, связанный с GTPase (GAC), сайты связывания факторов трансляции, сайты контакта структурных белков, сайты связывания антибиотиков и модифицированные основания. Соответствующие ROC AUC показаны на фиг. S5. Нуклеотиды, определяющие каждый функциональный сайт, перечислены в таблице S2.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g006

Затем мы проверили, перекрывают ли основания ET также сайты связывания с белками (см. панели на рис. 6A и 6B).Во-первых, мы исследовали сайты связывания бактериальных факторов трансляции (включая IF1, EF-Tu, EF-G, RF1 и RF3, для которых доступны структуры с высоким разрешением). Они временно связываются с рибосомой и необходимы для своевременного инициирования, удлинения и прекращения трансляции. Мы определили сайты связывания как все основания рРНК в пределах 4 Å от белка и обнаружили, что основания ET перекрывают сайты связывания TF со средним значением ET z в 16S рРНК и 9,2 в 23S (AUC = 0,84 и 0,94 соответственно). Затем мы протестировали сайты связывания структурных рибосомных белков, которые служат каркасом и охватываются рРНК во время сборки [56].Основания ET перекрывают эти контактные сайты со средним z-баллом ET = 0,96 и 4,6 в 16S и 23S соответственно (AUC = 0,62 и 0,63). Как и ожидалось, перекрытие между основаниями ET и сайтами связывания факторов трансляции заметно выше, чем перекрытие ET со структурными сайтами контакта с белками. Это соответствует ожиданиям, что структурные белки не так важны для функционирования. Неожиданным является несоответствие между перекрытием ET для сайтов r-белков в 16S и 23S рРНК (0,96 против 4,6). Интересно, что r-белки в 16S занимают 42% всех нуклеотидов, по сравнению только с 29% в 23S рРНК.Это подразумевает более высокую специфичность связывания в субъединице 23S, что приводит к лучшему перекрытию с нуклеотидами ET. Эти данные отражают чувствительность инопланетян к эволюционному давлению, оказываемому на рибосому. ET четко отделяет более важные сайты, такие как каталитическое ядро ​​и сайты связывания TF, от сайтов r-белка. Таким образом, ранги нуклеотидов в ET сильно коррелируют с их функциональным воздействием.

Затем мы также протестировали критические структурные мостики [57], которые соединяют две субъединицы на перекрытие с нуклеотидами ET.Мы обнаружили, что основания ET перекрывают мостики в 23S (среднее значение и AUC = 0,82), но не в субъединице 16S (среднее значение, AUC = 0,66). Чтобы объяснить эту разницу, мы исследовали молекулярную основу мостиковых контактов и обнаружили, что 22 из 48 контактов на стороне 16S образованы нуклеотид-фосфатным остовом, по сравнению с 7 из 30 контактов на 23S (разница значительна. с гипергеометрическим значением p 0,03). Поскольку фосфатные контакты неспецифичны (не зависят от идентичности основания), нуклеотиды в мостиках 16S не ограничены эволюционным путем и имеют более низкий рейтинг по ET.Эти данные показывают, что хотя ET способен обнаруживать критические структурные элементы, лежащие в основе молекулярные детерминанты могут создавать исключения из модели ET, аналогично предыдущему примеру каталитического механизма в головке молота.

Поскольку основания ET широко перекрывают функциональные сайты, мы затем спросили: действительно ли известные рибосомные антибиотики нацелены на основания ET? Чтобы определить, восстанавливает ли ET известные сайты связывания антибиотиков, мы составили список сайтов связывания для 32 различных антибиотиков [11]. Мы количественно оценили восстановление этих сайтов с помощью ET и обнаружили, что основания ET перекрывают сайты связывания антибиотиков со средним z-значением ET в 23S и 4.3 в 16S (AUC = 0,62 и 0,80). Хотя данные подтверждают, что основания ET сильно перекрываются с сайтами связывания антибиотиков в 16S рРНК, мы спросили, почему отсутствует перекрытие в субъединице 23S. Мы исследовали молекулярные основы действия антибиотиков в 16S и 23S рРНК. Мы обнаружили, что антибиотики 23S в основном нацелены на выходной канал, который представляет собой туннель, пересекающий субъединицу, и он используется для вытеснения растущего полипептида из рибосомы. Поскольку канал не служит сайтом для катализа или связывания, он выстлан нуклеотидами, которые не находятся под сильным селективным давлением.В результате сайты связывания антибиотика 23S имеют небольшое перекрытие с основаниями ET. Напротив, мы обнаружили, что в 16S РНК семейства антибиотиков в первую очередь нацелены на канал связывания мРНК и центр декодирования, которые, как мы уже показали, в основном состоят из оснований ET высокого ранга. Таким образом, молекулярный механизм действия антибиотиков соответствует ранжированию нуклеотидов ET.

Затем мы протестировали способность ET обнаруживать основания, которые не обязательно принадлежат установленному активному сайту или интерфейсу связывания, но, тем не менее, предположительно важны: модифицированные основания и основания с известными вредными мутациями. Сначала мы исследовали модифицированные основания; возникающие рРНК могут быть посттранскрипционно модифицированы, и по крайней мере 34 нуклеотида в рибосоме несут модификации [58].Хотя точная роль модифицированных оснований неясна, рибосомы, собранные из немодифицированной рРНК, менее активны, чем дикого типа [59]. ET перекрывает модифицированные основания со средним значением ET z-score в 16S и 5,7 в 23S (AUC = 0,93 и 0,87), предполагая, что эти основания эволюционировали, чтобы выполнять функцию в большой субъединице. Помимо модифицированных оснований, мы исследовали нуклеотиды с известными вредными мутациями. Мы составили список мутаций, доступных в базе данных Comparative RNA Website [60], и отсортировали их на однозначно вредные и доброкачественные.Применяя ET, мы видим, что хотя обе когорты перекрываются с основаниями ET, существует четкое разделение между двумя категориями мутаций (S6 Fig). В 16S основания ET перекрываются с вредными мутациями чаще, чем с доброкачественными мутациями (средний z-показатель = 4,5 и AUC = 0,92 для вредных мутаций и AUC = 0,69 для доброкачественных). В субъединице 23S разница также присутствует (средний z-показатель и AUC = 0,94 для вредных мутаций и AUC = 0,81 для доброкачественных). Нуклеотиды с доброкачественными мутациями имеют более низкий рейтинг, чем нуклеотиды с летальными мутациями.Эти данные также указывают на четкую связь между эволюционной важностью, измеряемой ЭТ, и функциональным воздействием.

Наконец, мы исследовали кластеры ET, которые не перекрываются с известным функциональным сайтом. Из рибосомной структуры мы исключили все нуклеотиды, составляющие известные сайты, а также все нуклеотиды в пределах 10 Å от r-белка. Этот анализ исключения дал 4 кластера нуклеотидов ET с высоким рангом на поверхности рибосомы, три в 23S и один в 16S (рис. 7).Нуклеотиды ET в этих кластерах (перечислены для каждого кластера в таблице S5) не описаны в литературе и не имеют очевидного функционального значения. Мы предполагаем, что кластеры в 23S могут служить сайтами связывания регуляторных белков и шаперонов или сайтами рибосомного процессинга во время созревания и сборки. Между тем, кластер ET в 16S расположен рядом со спиралью h5, которая действует как сайт связывания для нескольких факторов трансляции [61, 62]. Следовательно, возможно, что нуклеотиды в этом кластере участвуют в аллостерической регуляции трансляции.Эти данные показывают, что структурный анализ под контролем ET может указывать на представляющие интерес сайты даже в хорошо изученных системах, таких как рибосома.

Рис. 7. ET-кластеры неизвестного функционального значения.

Кластеры (A-C) в 23S рРНК могут служить сайтами связывания для регуляторных белков, тогда как кластер (D) в 16S находится близко к сайту связывания фактора трансляции и, следовательно, может играть роль в трансляции. Нуклеотиды белого цвета являются либо известными функциональными сайтами, либо находятся в пределах 10 Å от r-белка и поэтому исключены из анализа.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g007

Таким образом, мы обнаружили, что нуклеотиды ET кластерируются в структуре рибосомы, и что основной кластер ET четко определяет основные функциональные сайты молекулы. . Кроме того, рейтинг ET также предполагает сайты связывания белков и антибиотиков. Мы также показываем, что нуклеотиды ET более высокого ранга обогащены для инактивации мутаций и посттранскрипционно модифицированных оснований. При обнаружении этих участков ET более точен, чем консервация (S7 Рис).Наконец, поскольку эти данные показывают, что модель ET применима к рибосоме, мы предлагаем несколько потенциально новых сайтов.

Обобщение модели

Тематические исследования с головкой молотка и рибосомами согласуются с двумя фундаментальными свойствами ET: то, что первые места группируются структурно, тем самым выявляя функциональные сайты. Чтобы оценить общность этих характеристик, ЕТ была затем протестирована на семействах РНК в базе данных Rfam. Мы выбрали 1070 семейств РНК, которые имели по крайней мере 10 канонических последовательностей в их выравнивании семян Rfam.Этот набор РНК включал широкий выбор классов, включая рибопереключатели, тРНК, РНКзимы, вирусные частицы, малые регуляторные РНК и днРНК (рис. 2А). Кроме того, среди них 71 семейство, которые могут быть объединены по крайней мере с одной структурой высокого разрешения. Каждое выравнивание отслеживалось, и трасса оценивалась на предмет кластеризации среди оснований ET в зависимости от покрытия ET.

Сначала мы оценили структурированный набор с высоким разрешением и обнаружили, что в среднем нуклеотиды ET восстанавливают 24% всех контактов третичной структуры по сравнению с 13%, которые могут быть восстановлены при случайном выборе (см. Таблицу S6A).В 64 из 71 РНК это соответствовало среднему z-баллу кластеризации, превышающему 2, что указывает на то, что ET обнаруживает кластеры эволюционно важных нуклеотидов (рис. 8A, белый цвет). Этот набор состоял из хорошо упорядоченных полноразмерных структур, включая рибопереключатели, РНКазу P, каталитические интроны, рибозимы и рРНК (Fig 2B ) . Примечательно, что рибосомная и сплайсесомная РНК демонстрируют более высокие баллы z по сравнению с остальной частью набора (14 или более), что указывает на большие и важные для эволюции основные функции.Затем мы исследовали 7 семейств Rfam, в которых не обнаружено структурной кластеризации по нуклеотидам ET. Три из этих семейств были небольшими вирусными структурами (приблизительно 30 нуклеотидов в длину), обнаруженными в РНК вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Их выравнивание последовательностей состояло из очень похожих последовательностей (средняя идентичность последовательностей 91%), а их узкий филогенетический объем препятствовал значимому анализу ET. Напротив, средняя идентичность последовательностей в успешных примерах составляла 64%. Наконец, в каждом из оставшихся 4 семейств, которые работали плохо, кластеризацию нельзя было полностью оценить, потому что их наиболее согласованные структуры были фрагментом молекулы полной длины.В целом, однако, эти данные показывают, что модель соответствует наблюдениям в 90% фнкРНК, которые мы смогли протестировать. Неудачи редко, но постоянно связаны с отсутствием структурного контекста или дефицитом эволюционной информации из-за отсутствия достаточно расходящихся последовательностей.

Рис. 8. Кластеризация нуклеотидов ET и их перекрытие с функциональными сайтами является общим.

Z-оценка выше 2 указывает на статистически значимую кластеризацию и перекрытие. На (A) показаны совокупные данные кластеризации ET для 1070 молекул РНК.Кластеризация ET обнаруживается в 62% первичных последовательностей, 83% вторичных структур и 91% третичных структур. В подгруппе из 15 таких молекул (B) мы измеряем перекрытие с известными функциональными сайтами. В 12 из 15 тестовых случаев перекрытие является значительным.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g008

Затем, чтобы протестировать ET для РНК без известных трехмерных структур, что составляет 93% от нашего тестового набора, кластеризация базовых ET была оценена в первичная последовательность (1-мерная) и в моделях вторичной структуры, предоставленных Rfam (2-хмерная).83% вторичных структур (рис. 8A, серый) показали кластеризацию ET с более чем 2 (в соответствии с нашим наблюдением в третичном наборе, нуклеотиды ET восстановили в среднем 27% контактов вторичной структуры, при этом 17% ожидались случайно, см. таблицу S6B). Немногочисленными выбросами с большими z-значениями снова оказались субъединицы рРНК и сплайсосомы. Кластеризация ET также может быть обнаружена в большинстве первичных последовательностей, 62% которых достигают 2 (рис. 8A, черный). Эти данные показывают, что хотя вторичные и первичные структуры лишены детального трехмерного контекста, они тем не менее обнаруживают кластеры нуклеотидов ET.Одно из возможных применений этого свойства — использовать кластеризацию ET в предсказанных вторичных структурах, чтобы различать плохие и надежные модели.

Наконец, из 71 семейства РНК, протестированных на трехмерную кластеризацию ET, мы выбрали 15 для анализа функциональных сайтов. Они включали рибозим «головка молотка», две рибосомные субъединицы, тРНК, РНКазу P, самосплайсинговые интроны группы I и 9 рибопереключателей. Для каждой из этих молекул мы провели поиск в литературе канонических функциональных сайтов (см. Таблицу S1), а затем вычислили их перекрытие с основаниями ET (рис. 8B).В 12 из 15 случаев z-показатель перекрытия функциональных сайтов был выше 2,0. В двух случаях, рибопереключатель THF и рибопереключатель PreQ1 (RF01831 и RF00522), перекрытие приблизилось к значимости с = 1,86 и 1,84. Наконец, z-оценка перекрытия функциональных сайтов составила 1,44 для рибопереключателя FMN (RF00522). Интересно, что его исходное выравнивание содержало ряд неправильно выровненных последовательностей; их удаление и восстановление увеличились с 1,44 до 1,9.

Вместе эти анализы кластеризации и перекрытия ET подтверждают, что модель ET является общей и применима к широкому диапазону функциональных РНК.

Оптимизация выбора последовательности повышает производительность

Поскольку в РНК, ET выполняет те же свойства кластеризации и перекрытия функциональных сайтов, что и в белках, возможно, это аналогичным образом улучшение качества структурных кластеров может привести к улучшению качества предсказаний функциональных сайтов? В белках эти два фактора сильно коррелируют. В результате улучшения в кластеризации ET могут быть использованы для оптимизации выбора последовательностей, что, в свою очередь, приводит к лучшему восстановлению функциональных сайтов [41] с важным практическим ответвлением на оптимизацию анализов [42].

Чтобы проверить эту гипотезу, мы оценили два разных показателя качества кластера: z-показатель кластеризации ET, как описано ранее, и гладкость ET. Гладкость ЕТ — это совокупная разность рангов ЕТ между всеми соседними нуклеотидами в структуре (что означает, что более низкие абсолютные значения гладкости соответствуют более плавному распределению рангов). Эта мера отражает плавность эволюции по всей структуре и является более целостной метрикой, чем средняя базовая кластеризация ET [43].

Мы проверили взаимосвязь между метриками кластеризации и качеством предсказания в 15 семействах РНК с тщательно подобранными функциональными сайтами. Для каждой семьи мы сгенерировали набор из 1000 выравниваний путем случайного перемешивания баз в исходном выравнивании. Мы проследили выравнивания и измерили их гладкость, а также их среднюю общую кластеризацию и z-баллы перекрытия, 〈 z o 〉 и 〈 z c 〉. Затем мы объединили выравнивания по частоте их перемешивания и усреднили оценки, как показано на рис. 9A для рибопереключателя glmS.Как видно из примера с glmS, когда мы вводим ошибки в выравнивание, перекрытие ET, кластеризация и гладкость ухудшаются сильно коррелированным образом. В 15 тестовых случаях средняя корреляция между перекрытием ET и кластеризацией составила r = 0,95 и r = -0,96 между перекрытием и гладкостью (рис. 9B).

Рис. 9. Оптимизация входных согласований с помощью кластеризации ET и сглаживания улучшает перекрытие.

Ухудшение выравнивания glmS на (A) показывает, что кластеризация и гладкость коррелируют с перекрытием.Применение этого анализа к 15 молекулам с аннотированными функциональными сайтами показывает, что корреляции являются общими (B). Это говорит о том, что выбор последовательности может быть оптимизирован для более эффективного ранжирования ET. Это показано на (C), где мы используем две разные меры кластеризации, чтобы выбрать выравнивания, которые дают более точные предсказания функционального сайта, чем начальные выравнивания.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007583.g009

Корреляция между структурным качеством трассы и перекрытием имеет практическое значение, поскольку гладкость и кластеризация ET могут использоваться как косвенные меры точности трассировки.Оптимизируя выравнивание трасс для максимальной гладкости (или кластеризации ET), мы, по-видимому, также максимизируем точность прогнозирования активных сайтов. Мы проверили эту гипотезу на девяти тестовых рибопереключателях. Для каждого рибопереключателя мы сгенерировали начальное выравнивание, отличное от начального, и основанное на 500 последовательностях, выбранных случайным образом из полного репозитория последовательностей семейства на Rfam. Используя эти выравнивания в качестве эталона, мы затем сгенерировали для каждого рибопереключателя ансамбль из 5000 выравниваний путем удаления случайного числа последовательностей 0 (где N — размер выравнивания) из эталона.Затем мы проследили каждое выравнивание и вычислили его гладкость ET, z-оценку кластеризации ET и z-оценку перекрытия ET. Наконец, мы выбрали из случайного ансамбля, выравнивание, которое имеет наиболее гладкую ET или самую высокую кластеризацию ET. Затем мы сравнили z-баллы перекрытия, полученные в результате выравнивания, оптимизированного для гладкости и кластеризации, с исходными выравниваниями Rfam.

Как ни удивительно, мы обнаружили, что в 8 из 9 случаев оптимизация с помощью плавности ET привела к снижению производительности, в среднем на 13%.Чтобы объяснить это поведение, мы исследовали наиболее гладкие выравнивания и обнаружили, что оптимизация выбрала выравнивания, состоящие из небольшого числа высокоинвариантных последовательностей. Эти выравнивания принесли в жертву филогенетическое разнообразие в обмен на очень плавное, но неинформативное ранжирование высококонсервативных нуклеотидов в ET. Чтобы решить эту проблему узкого филогенетического охвата, мы ввели ранговую энтропию (RE), которая измеряет частоту ( от ) каждого ранга ET ( r ) в выравнивании.RE является максимальным, когда каждому столбцу назначен уникальный ранг, и равен нулю, когда выравнивание полностью сохраняется.

Нормализация RE и ET Smoothness до 1, а затем использование их продукта в качестве единой меры (RE × SMT), спасла производительность оптимизации в 8 из 9 случаев, что дало среднее улучшение качества прогнозирования на 9% (рис. 9C, пунктирные линии). Наконец, мы протестировали кластеризацию среднего ET в качестве показателя оптимизации. Мы обнаружили, что максимальное увеличение среднего z-показателя кластеризации ET привело к выравниванию, которое дало среднее улучшение на 24% (рис. 9C, сплошная линия).Z-оценка кластеризации ET работает лучше, чем показатели, основанные на гладкости, потому что она выражает значимость кластеризации нуклеотидов ET относительно остальной структуры. Когда консервативная ячейка ET доминирует в следе (вероятность кластеризации нуклеотидов ET выше), это приводит к большему ожидаемому весу кластеризации, большему стандартному отклонению и, как результат, более низкому z-баллу кластеризации, что делает этот показатель более чувствительным, чем исходный. ЕТ гладкость.

Примечательно, что оптимизированные полные выравнивания также превзошли вручную курируемые выравнивания семян Rfam, которые используются в эксперименте по предсказанию базового функционального сайта на рис. 8.Хотя полные выравнивания, которые мы использовали для оптимизации, уже лучше, чем начальное (улучшение на 10% z-показателя перекрытия из-за более разнообразного набора последовательностей), оптимизация еще больше увеличивает разрыв в производительности. Оптимизация с помощью гладкости, скорректированной по рангу, привела к выравниванию, которое лучше, чем начальное при обнаружении функционального сайта в 6 из 9 случаев (среднее улучшение 21%), а оптимизация с помощью кластеризации ET дала лучшие сопоставления, чем начальное значение во всех 9 случаях (среднее улучшение 30% над семенами). Чтобы в дальнейшем проверить, можем ли мы оптимизировать вручную курируемые выравнивания, мы применили два метода оптимизации к множественным выравниваниям последовательностей, используемым в тематическом исследовании рибосом.Измеряя точность по совокупности всех функциональных сайтов, мы обнаружили, что оптимизация с помощью сглаживания, скорректированной по рангу, улучшила точность прогнозирования в малой субъединице со среднего 0-35% перекрытия ЕТ z-балла z = 2,38 до z = 2,60, а в большой субъединице. привело к уменьшению с z = 6,95 до 6,80. Однако оптимизация с помощью кластеризации ET повысила точность в обеих субъединицах, до z = 3,32 в малой субъединице и z = 7,20 в большой субъединице соответственно. Вместе эти данные показывают, что оптимизация входных согласований возможна и полезна.

Таким образом, выбор последовательности может быть оптимизирован для достижения лучшего восстановления активного сайта. Входные последовательности являются основным фактором, влияющим на качество трассировки. Используя кластеризацию ET и гладкость RE в качестве косвенных мер, мы можем удалить последовательности, которые либо слишком филогенетически далеки, либо ошибочны. Таким образом мы можем повысить качество трассировки и более точно предсказать активные сайты.

Заключение

Более 50 лет назад Карл Вёзе и Фрэнсис Крик выдвинули гипотезу о том, что РНК может служить предшественником ДНК и белков [63], и с тех пор было обнаружено, что РНК выполняют множество функций внутри клетки.Здесь мы показываем, что сходство между функциональными РНК и белками — это не просто предмет анекдотического сходства. Мы утверждаем, что это сходство основано на фундаментальном принципе отбора, который управляет эволюцией функций как РНК, так и белков. Точно так же, как эволюционно важные аминокислоты в белках, эволюционно важные нуклеотиды РНК развиваются в компактные, неслучайные кластеры, которые определяют функцию молекулы. Как мы показали в ряде примеров, включая «голову молотка» и рибосому, эти кластеры соответствуют каталитическим сайтам, карманам для связывания лигандов и межмолекулярным границам раздела и обогащены для инактивации мутаций и модифицированных нуклеотидов.Эти основные свойства подчеркивают взаимосвязь между последовательностью, структурой и функцией в структурированных РНК и предполагают, что можно идентифицировать новые функциональные сайты в структурированных молекулах РНК с помощью анализа эволюционных следов.

Кроме того, мы демонстрируем, что существует количественная корреляция между образованием кластеров и восстановлением функциональных сайтов. Эта корреляция напрямую зависит от кластеризации ET и гладкости ET, которые измеряют сходство эволюционной истории в соседних аминокислотах или нуклеотидах.В структурированной РНК, как и в белках, эволюция стремится минимизировать ранговые различия между соседними нуклеотидами. Это приводит к образованию гладких кластеров, информирующих функцию. На практике это свойство позволяет нам максимизировать точность предсказания ET путем построения выравнивания, которое максимизирует пространственную кластеризацию и гладкость нуклеотидов ET.

Интересно, что мы также обнаружили некоторую взаимодополняемость между анализом ET и ковариацией. Чтобы показать это, мы сравнили ET с R-scape [64], инструментом ковариационного анализа, в бактериальной РНКазе P.Мы применили R-scape для выравнивания последовательностей РНКазы P и обнаружили 74 пары оснований (148 нуклеотидов) со значительной ковариацией (значение e R-scape <0,05). Мы напрямую построили графики ковариационных весов R-scape этих 148 нуклеотидов против их весов ET, показанных на рис. S8A. Мы сразу же обнаружили корреляцию между оценкой ET и оценкой R-scape (коэффициент корреляции r = 0,47), что указывает на то, что высококовариантные позиции будут иметь тенденцию иметь низкий балл ЕТ, и наоборот. Во-вторых, как показано на фиг. S8B, мы обнаруживаем очень небольшое перекрытие между верхними нуклеотидами ET и 148 нуклеотидами высокой ковариации.Наконец, эти две в основном не перекрывающиеся группы нуклеотидов, по-видимому, модулируют разные функции, как показано на рис. S8C. Эти данные показывают, что оценки ET и оценки ковариации R-scape в этом примере в значительной степени дополняют друг друга, и мы оставляем для будущего исследования более глубокое рассмотрение этих сравнений, чтобы понять, насколько хорошо они обобщают.

Поскольку это исследование сосредоточено на хорошо известных структурированных РНК, не совсем ясно, являются ли свойства ET общими для всех классов РНК, особенно новых классов, таких как lncRNA, которые имеют слабую связь между последовательностью, структурой и функцией.Однако в случаях, когда интересующая РНК хорошо представлена ​​набором разнообразных гомологов, исследователи смогут использовать ET в качестве ориентира для нуклеотидов-мишеней для функционального анализа. Мы ожидаем, что потребность в таком анализе будет расти в будущем, поскольку объем исследований РНК продолжает расширяться. Наконец, некоторые свойства, описанные здесь для РНК, можно транслировать непосредственно на другие полимеры, в частности, на ДНК. Схема оценки ET для оценки эволюционирующих полимеров является универсальной и может использоваться в геномных последовательностях для определения функциональных локусов в некодирующих областях.

Evolution путем естественного отбора | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Введение в эволюцию путем естественного отбора

По оценкам ученых, без физического подсчета бактерий и вирусов на Земле сегодня обитает более 8,7 миллионов видов организмов. Происхождение и исчезновение такого количества видов очаровывало ученых на протяжении тысячелетий, еще со времен Древней Греции. Большое разнообразие живых организмов на Земле лучше всего объясняется научно обоснованной концепцией эволюции путем естественного отбора.

Выплачено

Видео

Практикум: Введение в естественный отбор


Evolution — это изменение унаследованных характеристик или черт в популяции организмов на протяжении многих поколений. Механизм, который лучше всего объясняет эволюцию, — это явление, известное как естественный отбор. Естественный отбор — это процесс, при котором определенные унаследованные черты, такие как цвет рыбы, рост человека или форма листа, становятся предпочтительными в популяции.Население — это группа организмов, которые спариваются и размножаются друг с другом. В целом

  • признак сохраняется в популяции, потому что он способствует успеху организма, или
  • признак исключается, потому что они умаляют успех организма.

Тысячи лет селективного давления определили формы, цвета, размеры и поведение, которые оптимизируют выживание и репродуктивный успех организмов в среде, в которой они развивались.На самом деле, часто можно многое рассказать о том, где что-то живет, по тому, как оно выглядит и ведет себя.

Эволюционная приспособленность и успех означает выживание достаточно долго, чтобы передать генетический материал потомству. Признаки, которые передаются потомству, потому что они способствуют успеху, — это «, выбранные для продолжения ». Черты, которые исключаются из популяции, потому что они умаляют успех, — это «, выбранные против продолжения .”

Любая сила в окружающей среде, благоприятствующая или неблагоприятная чертам характера, является селективным агентом. Сила может быть биологической, как хищник, или физической, как температура. Со временем популяции, подвергшиеся воздействию различных селективных агентов, могут стать настолько разными, что больше не смогут размножаться друг с другом. Биологическое определение видов — это группа организмов, которые могут успешно размножаться друг с другом. Согласно этому определению, когда популяции больше не могут размножаться друг с другом, они считаются разными видами.

Деятельность

Модель естественного отбора в популяции бактерий.

История эволюционной биологии

В 1800-х годах многие люди пытались определить, почему в мире существует так много разных видов растений и животных. Чарльз Дарвин задумался о разнообразии животных, которых он видел на Галапагосских островах. Это привело его к разработке теории естественного отбора, которая является лучшим объяснением разнообразия жизни, которое у нас есть.Альфред Рассел Уоллес также выдвинул гипотезу о том, что окружающая среда может способствовать формированию разнообразия жизни, отдавая предпочтение одним чертам перед другими. Уоллес заметил, что насекомые в джунглях Африки и Южной Америки очень хорошо приспособились к уникальной среде. Эти два человека, работая независимо друг от друга, разработали одно и то же основное объяснение разнообразия жизни: естественный отбор. Эти принципы подтверждаются текущими научными исследованиями.

Генетическая изменчивость необходима для эволюции путем естественного отбора

Чтобы происходил естественный отбор, в популяции должно быть большое количество особей с разными признаками.Например, естественный отбор не повлиял бы на цвет тела рыбы, если бы все особи в популяции были одного цвета. Термин фенотип используется для описания этих физических признаков. Все фенотипы являются выражением генетической информации в молекулах ДНК человека. Термин генотип описывает конкретный генетический код в молекулярной структуре ДНК, который производит определенный фенотип. Вариации генотипов также могут вызывать вариации фенотипов.

Новые генотипы могут быть получены в результате естественного процесса генетической мутации.Мутация — это ошибка, которая совершается в процессе копирования ДНК. Мутация приводит к изменению генетического кода или генотипа.

Иногда ошибки мутаций возникают в тех участках цепи ДНК, которые не кодируют какой-либо фенотип или признак. Точно так же некоторые мутации незначительны и не вызывают каких-либо значительных изменений внешнего вида, физиологии или поведения организма. В других случаях мутации могут вызывать изменения фенотипа (рис.1.7).

За миллионы поколений копирования, даже небольшие ошибки в этом влиянии фенотипа могут привести к большим изменениям. Иногда одно изменение в регулирующем гене, который контролирует другие части ДНК организма, также может иметь большой эффект. Чтобы представить себе, как это может работать, представьте игру «телефон». В этой игре один человек шепчет фразу своему соседу, а тот — своему соседу, и так далее. Последний человек, получивший сообщение, сравнивает фазу, которую, по его мнению, он услышал, с исходной фразой.Часто ошибки в повторении или понимании фразы-образца приводят к изменению ее значения. То же самое происходит, когда ДНК реплицируется снова и снова. Изменения в сообщении в игре аналогичны тому, что происходит при мутациях. Изменения значения «сообщения» ДНК могут вызывать изменения внешнего вида, физиологии или поведения организма.

Мутация может быть особенно мощной силой для изменений, если она оказывает значительное влияние на выживание организма.Некоторые мутации, например, придали бактериям устойчивость к антибиотикам. Поскольку бактерии размножаются очень быстро, эти мутации могут быстро повлиять на изменение популяции бактерий.

Также важно помнить, что мутации случайны. Организм не может выбрать или выбрать свою мутацию. Например, некоторые виды животных, которые всю жизнь живут в пещерах без света, не имеют пигмента или окраски. Поскольку пещеры темные, нет никакой пользы в маскировке, чтобы избежать хищника, или в окраске, чтобы привлечь помощника.Однако не всем животным, живущим в темноте, не хватает цвета. Чтобы вид потерял окраску, должны произойти мутации, позволяющие удалить пигмент. Если мутации никогда не произойдет, животные останутся пигментированными.

Половое размножение также может увеличивать генетическую изменчивость в популяции. Многие одноклеточные микроорганизмы воспроизводятся просто путем дублирования своего генетического материала (то есть ДНК) и деления себя пополам. Этот процесс называется бесполым размножением.Новые клетки, полученные в результате бесполого размножения, генетически идентичны исходной родительской клетке, если не происходит какой-либо мутации. Половое размножение — это производство потомства за счет комбинации специализированных половых клеток. Эти половые клетки (также называемые гаметами) содержат только половину генетического материала отдельного организма. Когда две половины — одна от самца и одна от самки — объединяются, потомство получает совершенно новую комбинацию генов.

Мутации и половое размножение увеличивают генетическую изменчивость популяции.Отдельные организмы с неблагоприятными признаками (например, деформированные крылья у плодовых мушек или ярко-белый узор у самцов павлинов) с меньшей вероятностью выживут и будут воспроизводиться. Эти люди и гены, которые они несут, «отбираются против» или не одобряются естественным отбором (рис. 1.8). Напротив, люди с полезными генами имеют больше шансов выжить и размножаться.


Выплачено

Видео

Семинар: Подведение итогов по естественному отбору


Итого:

  1. Естественный отбор требует различий между особями.
  2. Мутации и половое размножение увеличивают генетическую изменчивость популяции.
  3. Естественный отбор происходит, когда давление окружающей среды способствует определенным чертам, которые передаются потомству. «Большой приз» в естественном отборе — это передача генетической информации.
  4. Естественный отбор действует на популяции. Люди не эволюционируют в терминах генетической эволюции. Люди могут мутировать, но естественный отбор изменяет характеристики популяции в целом.

Деятельность

Смоделируйте, как изменение цвета жертвы и поиск пищи хищниками влияют на выживание и воспроизводство популяции жертвы.

.