Анализ процесса эволюции и адаптации через приобретение новых мутаций

Вирус гриппа (гриппа) постоянно находится в процессе эволюции и адаптации, приобретая новые мутации.

Ученые из Детской исследовательской больницы Св. Иуды добавили новый уровень понимания, чтобы объяснить, почему и как изменяются вирусы гриппа. Модель «выживания доступных» дополняет более широко признанный способ эволюции «выживание наиболее приспособленных». Работа была опубликована сегодня в журнале Science Advances.

Вирусы подвергаются быстрому эволюционному потоку из-за постоянных генетических мутаций. Этот быстрый поток является причиной того, что люди ежегодно получают прививку от гриппа, поскольку нам необходимо бороться с последним вариантом гриппа, который стал доминирующим штаммом. Мы часто видим эти мутации в контексте традиционного эволюционного мышления, где вариантная приспособленность определяет, какой мутировавший вирус становится доминирующим штаммом в популяции. Команда St. Jude исследовала эту теорию и определила альтернативный эволюционный принцип, который, по их мнению, является ключевым фактором эволюции, называемый «вариантной доступностью».

Исследование под руководством Александра Гуннарссона, доктора философии, и М. Мадана Бабу, доктора философии, из Департамента структурной биологии Сент-Джуда и Центра передового опыта в области открытий, основанных на данных, включало создание модели мутационной доступности, чтобы помочь предсказать, как и почему определенные мутации возникают в популяции во время вирусной эволюции.

Недооцененная роль доступности вариантов

В геномном алфавите всего четыре буквы, обозначающие нуклеотиды: (А)денозин, (Т)гимин, (Г)уанин и (С)гитозин. Группы из трех нуклеотидов в гене, кодирующем белок, называются кодоном. Кодоны действуют как рецепт сборки белков, кодирующих определенную аминокислоту. Мутации происходят, когда нуклеотиды изменяются, например, во время репликации. Это изменение приводит к тому, что для производства белка используется другая аминокислота. Но не все мутации одинаково вероятны, как обнаружили Бабу и Гуннарссон.

«Процесс генетической репликации имеет встроенные предубеждения, такие как относительная легкость мутации A в C, а не в G», — объяснил Бабу. «Это означает, что пул мутантов с этой мутацией A-to-C больше, и выжившие варианты будут преимущественно возникать из этого конкретного пула, даже если может быть более подходящая последовательность с мутацией A-to-G».

Используя вирус гриппа в качестве примера, Гуннарссон и Бабу воплотили эту концепцию в математическую модель. Их модель позволяет исследователям предсказывать путь будущей эволюции на основе доступности мутации. Особый интерес представляло изучение того, как определенные участки белка могут приобретать или терять способность к модификации после приобретения мутации. Затем они исследовали, как этот выигрыш или потеря повлияли на функцию белка.

Примером такой модификации является фосфорилирование. Это происходит, когда молекула фосфата добавляется к определенным аминокислотам белка. Что касается гриппа, фосфорилирование может помочь вирусу захватить молекулярные пути хозяина для успешной передачи инфекции. Такие мутации могли иметь решающее значение для пандемий гриппа в прошлом, и именно эти наборы данных использовали Гуннарссон и Бабу для разработки своей модели.

Важность событий с джекпотом

Модель также помогла исследователям лучше понять давно задуманное свойство мутации — событие джекпота. Это мутации, которые происходят случайно в начале роста популяции, что приводит к постоянному преимуществу, наблюдаемому во всех потомках. «Чем доступнее генотип, тем чаще происходят эти конкретные события джекпота, потому что это просто вероятностное событие», — объяснил Гуннарссон. «Если конкретный ген имеет в сто раз больше шансов приобрести конкретную мутацию, вы увидите, что это событие джекпота происходит пропорционально чаще. Эти события важны для эволюции и в первую очередь обусловлены тем, насколько доступны варианты».

Более доступные мутации, вероятно, преобладают в популяции, даже если они не являются наиболее приспособленными мутациями. «Если вероятность приобретения самой приспособленной мутации составляет одну из сотен триллионов, — сказал Гуннарссон, — вероятность того, что она закрепится в популяции, даже если это самая приспособленная мутация, низка. происходит, статистически распространенность этого варианта значительно увеличивается, даже если он менее приспособлен по сравнению с другим, более приспособленным, но менее доступным мутантом».

Расширение нашего понимания мутационного смещения и предсказание результатов в развивающихся системах

Концепция доступности вариантов элегантна в своей простоте, но, как и большинство вещей в природе, это баланс статистических вероятностей. От события мутации и различий в вероятности определенных изменений нуклеотидов до избыточности кодонов (множество кодонов для одной и той же аминокислоты) — это тонкий баланс между компонентами, который управляет эволюционными путями.

Расширение нашего понимания биохимических мутационных предубеждений (например, во время репликации) в вирусах может открыть новые направления и возможности, потому что это даст гораздо лучшее представление о том, как вирус может развиваться..”

Мадан Бабу, доктор философии, Департамент структурной биологии и Центр передового опыта в области открытий, основанных на данных, Детская исследовательская больница Св. Иуды

Фактически модель применяется к историческим данным о том, как вирус гриппа изменился в рамках мутационной доступности, чтобы более точно предсказать эволюцию вируса.

Возможность предсказывать результаты эволюции вируса на основе доступности вызвала интерес у эксперта по гриппу Ричарда Уэбби, доктора философии, из Департамента взаимодействий хозяина и микробов в Сент-Джуде и директора Сотрудничающего центра Всемирной организации здравоохранения по изучению экологии вирусов. Грипп у животных и птиц.

«В общественном здравоохранении существует множество сценариев, в которых мы пытаемся предсказать эволюционный путь вирусов гриппа, включая выбор наиболее подходящих вакцин для будущего гриппа», — сказал Уэбби. «Модель «выживания доступной» укрепит эти прогнозы и позволит нам более уверенно идентифицировать вирусы, которые с большей вероятностью приобретут тревожные черты».

Эта модель применима не только к гриппу или даже к вирусологии, но и направляет дальнейшие исследования мутационных предубеждений при различных заболеваниях. Например, при раке эта модель может помочь ответить на многочисленные вопросы о патологии, например, почему постоянно возникают определенные мутации, вызывающие рак или лекарственную устойчивость.

«Наша модель может быть применена, чтобы помочь предсказать, может ли конкретный тип мутации стать причиной опухоли или мутацией, устойчивой к конкретному лечению», — заявил Бабу. «Мы надеемся, что наша работа будет стимулировать исследования по характеристике мутационных отклонений, определяющих эволюцию вирусов и опухолей. Если мы сможем количественно оценить и лучше понять биохимические процессы, способствующие мутационным отклонениям, это будет бесценно для прогнозирования мутационных результатов в развивающихся генетических системах. Способность предсказывать результаты до того, как они произойдут, позволят нам быть готовыми, когда они в конечном итоге проявятся».