Second-Order Selection for Evolvability in a Large Escherichia coli Population
Second-Order Selection for Evolvability in a Large Escherichia coli Population. Robert J. Woods, et al. Science 331, 1433 (2011);
In theory, competition between asexual lineages can lead to second-order selection for greate revolutionary potential. To test this hypothesis, we revived a frozen population of Escherichia coli from a long-term evolution experiment and compared the fitness and ultimate fates of four genetically distinct clones. Surprisingly, two clones with beneficial mutations that would eventually take over the population had significantly lower competitive fitness than two clones with mutations that later went extinct. By replaying evolution many times from these clones, we showed that the eventual winners likely prevailed because they had greater potential for further adaptation. Genetic interactions that reduce the benefit of certain regulatory mutations in the eventual losers appear to explain, at least in part, why they were outcompeted.
9 comentarios
¿A qué nivel puede darse la selección natural? Primero que nada, es obvio que los individuos serán seleccionados en el instante en que se da la competencia entre las variantes. Sin embargo, en este artículo se pone en evidencia que la selección natural, a largo plazo, también tiene la capacidad de distinguir entre poblaciones cuyas propiedades del genoma, puesto que es un estudio de la adecuación a largo plazo de dos poblaciones clonales de E. coli en donde se caracterizó su potencial para ser seleccionadas dependiendo de características de los cambios previos presentes en el genoma y cómo éstos afectaban la adecuación conforme pasaban las generaciones. Primero que nada se seleccionaron dos poblaciones clonales que poseían dos mutaciones de diferencia, las cuales se sabía que conferían una distinta habilidad competitiva. Después de 500 generaciones, se podría esperar que aquellas que poseían la diferencia inicial fueran las que resultaran ser más exitosas, y sin embargo esto no fue así, siendo la cepa inicialmente peor competidora la vencedora a largo plazo. Esto podría ser por azar o realmente porque poseía una mayor capacidad de responder al ambiente con nuevas mutaciones que le conferían habilidades competitivas. Para comprobar estas dos explicaciones se uso un marcador neutral de la divergencia, que se comprobó que, efectivamente, cambiaba mucho más en el caso de la cepa peor competidora al inicio. Esto prueba que la selección natural en el tiempo no sólo puede “ver” las diferencias en un instante, si no que en el juego de la evolución también importa la capacidad de cambio y adaptación a largo plazo conferida por una mayor capacidad de adaptación a nuevas circunstancias. Las interacciones epistáticas entre genes tienen un papel cuya importancia probablemente se ha subestimado para entender el efecto de la selección natural.
Second-Order Selection for Evolvability in a Large Escherichia coli Population
La competencia entre linajes asexuales puede ser una fuerza de Segundo orden en su potencial de evolución. Las cepas de una misma especie pueden originar mutaciones adaptativas a sus descendientes aunque no necesariamente mantengan un fitness elevado inmediato. El potencial de evolución refleja la complejidad del papel que juega la probabilidad de integrar caminos adecuados, que tienen acceso al fitness mediante las tasas de evolución, la estructura de la población y las interacciones epistaticas. En los experimentos con bacterias han mostrado que hay una elevada tasa de mutación en sus genes, y que las mismas mutaciones podrían tener diferentes efectos en el finess debido a interacciones epistaticas. Se encontraron mutaciones benéficas en subpoblacione de E. coli, a las 500 generaciones. Las mutaciones suscitadas fueron en el operon rbs y los genes spoT, topA, glmUS que fueron fijadas en la población después de las 1000 generaciones. También catalogaron cepas como eventuales ganadoras (EW; por sus siglas en ingles), eventuales perdedoras (EL; por sus siglas en ingles). Para caracterizar mutaciones que no se habían podido caracterizar en el primer análisis cultivaron dos cepas de las mencionadas (EW yEL). EW1 y Ew2 tienen mutación en topA que les confiere un fitness superior de 2 % en comparación con la cepa ancestral, por esto y otras mutaciones se esperaba que EW tuviera un fitness superior al de las EL sin embargo los análisis mostraron lo opuesto. Pues había un defecit del 6 % en fitness de EW con respecto a EL. Para encontrar la causa de esto reiniciaron el experimento pero con diez réplicas de cada cepa en las 500 generaciones, bajo condiciones iguales en todas y marcadas neutralmente con un fenotipo, para poder ver los puntos de divergencia (mutaciones) en el tiempo generacional. A pesar de todas las mutaciones benéficas que se encontraban en EW, no eran suficientes para tomar ventaja de EL, pues El mantenía un fitness mayor del 2 % Para poder esclarecer que es lo que al final del experimento le había dado ventaja a EW, distinguieron las mutaciones que tenían en conjunta ambas (topA y rbs). Asociaron la mutación de spoT en EW como origen de su aumento en el fitness mediante un procesos epistémico, y encontraron en 6 de las 20 clonas de EW y no encontraron mutaciones en spoT en las 20 clonas de EL, promovieron un escenario donde generaron en las mutaciones de EW y EL, de topA y topA1 respectivamente y modificaron en gen spoT. En presencia de topA con spoT mostro que era beneficioso en el fitness, mientras que con topA1 mostro que permanencia neutral, confiriéndole mayor fitness a los EW, de esta manera al final del experimento tomo ventaja sobre EL. En conclusión mencionan que similares casos son esperados en las poblaciones asexuales, siendo este escenario una muestra del mecanismo de evolución por segundo orden.
La capacidad de evolucionar está definida como el grado esperado al cual un linaje comenzando por un genotipo particular, incrementará su adecuación después de evolucionar un tiempo dado en un ambiente particular.
Para este trabajo se utilizaron poblaciones de E. coli de un experimento de evolución recuperadas de distintos tiempos generacionales (500, 1000 y 1500). De las cepas obtenidas de estas generaciones, se encontraron mutaciones benéficas que fueron fijadas tales como mutaciones en el operón rbs, topA, spoT y glmUS, encontrándose algunas de ellas (topA, rbs) presentes desde la generación 500. En base a estas mutaciones, se definieron dos grupos, los ganadores eventuales (EW) y los perdedores eventuales (EL).
Entre las mutaciones de EW está la del alelo topA, la cual afecta la transcripción de diversos genes y confiere un incremento en la adecuación. Algo interesante de esto, es que contrario a lo que podría esperarse, los representantes EW presentaban una menor adecuación respecto a EL, aquí uno se podría preguntar ¿cuál fue la razón para EW prevaleciera sobre los linajes EL? Por los datos presentados se puede decir que la principal razón fue el azar pues de manera aleatoria pudo ganar un alto número de mutaciones benéficas que le permitieron llevar a la extinción a las poblaciones de EL. Cuando los autores rastrearon en qué momento las mutaciones otorgaron esta ventaja sobre una población, lo que se vio es que esta ventaja no está dada por una sola mutación, si no que es el conjunto de ellas, pues si se comparaban las adecuaciones de las mutaciones individuales, ésta seguía siendo menor a la estimada para esta subpoblación.
En este punto podemos decir que la razón principal para que EW prevaleciera es que presentaba una mayor capacidad para evolucionar. Esta capacidad puede deberse a diversas razones como una interacción favorable del fondo genético con las mutaciones, que las mutaciones de EL hayan reducido el efecto de las mutaciones benéficas o también que alguna mutación en EW haya incrementando la frecuencia de mutaciones, lo cual le daría acceso potencialmente a un número mayor de mutaciones, entre estas, benéficas. Este comportamiento epistático de los genes fue analizado posteriormente encontrándose una epistasis negativa entre las mutaciones de EL y mutaciones posteriores sobre spoT.
Finalmente podemos decir que la dominancia o extinción de una población está dada por la combinación de una gran cantidad de factores que van desde el azar, hasta interacciones epistáticas, lo cual hace difícil es estudio de la evolución de alguna población particular, pues aunque podemos reducir las variables al mínimo, no sabemos en qué medida esto reflejaría lo que podríamos observar en la naturaleza.
¿Cual es el proceso que permite que se fije una mutación en una población?. La teoría evolutiva nos dice que las mutaciones letales o perjudiciales para el organismo nunca son detectadas en las poblaciones, ya que son eliminadas por seleccion natural. Por otra parte, las mutaciones que confieren una ventaja adaptativa tienden a ser fijadas rapidamente en la población, siendo que al ocurrir esto, se esperaría que la adecuación de los organismos incremente, a comparación de organismos que contengan mutaciones “no benéficas” que disminuyan su adecuación, los cuales se esperaría que desaparecieran de la población después de varias generaciones. Sin embargo tal y como lo observan Lenski y su equipo en un experimento controlado de varias generaciones de E.coli, se pudieron fijar mutaciones no benéficas (EL) que proporcionaban mayor adecuacion a las bacterias, a comparación de las mutaciones benéficas (EW) que en un primer ensayo, no mostraban ningún aumento en la adecuación. Al repetir los experimentos no se obtuvo el mismo resultado. Se siguío la dinámica evolutiva con mas detalle y se comparó el potencial evolutivo, el cual Pigliucci 2008 lo define como el grado esperado en donde un linaje empieza a formar un genotipo particular incrementando su adecuación, depués de evolucionar un cierto tiempo en un ambiente particular. Para entender el potencial evolutivo, realizaron comparaciones genéticas de clonas aisladas en la generacion 883. En este punto se dieron cuenta que los organismos EW, que en un principio tenían baja adecuación, había superado este déficit y habían aumentado su adecuación comparado con la adecuación de las clonas EL. Debido a las diferencias en el potencial evolutivo, los autores se dedicaron a entender las bases genéticas de este proceso, para lo cual re-secuenciaron los genomas de las 8 clonas aisldas de la generacion 883. La respuesta la obtuvieron al observar epistasis negativa entre la mutaciones EL y mutaciones posteriores que sirgieron en el gen spoT. Debido a sus resultados, los autores concluyen que las interacciones epistáticas entre las mutaciones benéficas son las responsables de las diferencias en el potencial evolutivo observado.Debido a los resultados obtenidos en este trabajo, es interesante replantearsela idea de que la fijación de una mutacion no benéfica, no solo puede estar dada por el tamaño poblacional, deriva génica o selección si no también por procesos epistaticos, los cuales pueden tener un papel fundamental en la evolución de una población.
Los organismos pueden variar en su capacidad para adaptarse a un ambiente dado y en la habilidad para que las generaciones futuras se adapten. Este potencial evolutivo depende de la tasa de mutación, la estructura de la población y las interacciones con el contexto genómico. En el experimento a largo plazo de Richard Lenski se observaron dos mutantes a las 500 generaciones, denominadas EW (eventual winner) y EL (eventual looser), aparentemente las EL estaban mejor adaptadas, sin embargo con el paso del tiempo esto cambio y las EW pasaron a las EL. Así el experimento se reinicio, tomando como tiempo cero a las pertenecientes a la generación 500, el marcador que se utilizo fue Ara (+/-), al paso de 800 generaciones las proporciones entre estos marcadores empezó a divergir, sin embargo esto se dio más rápido en las EW donde incluso de fijan más alelos. Dos aislados de este tiempo (800 g) a competir, el ganador fue EW, lo que habla de un mayor potencial evolutivo. ¿Cuál sería la causa genética? Se observo que EW tenia una mutación en spoT, si esta se introducía en los miembros de EL la mutación no tenia ningún significado y no proveía ventaja para el fitness.
Por lo que en este experimento se demuestra la importancia del contexto genómico en la evolución, ya que las mutaciones no son necesariamente benéficas, dependen del lugar en donde se den y del genoma de donde se den. Finalmente se propone este ejemplo para entender como funcionaria la selección de segundo orden.
Resulta interesante la posibilidad de que las interacciones epistáticas entre mutaciones benéficas contribuya en la diferenciación del potencial evolutivo entre diferentes linajes de una misma especie. Así mismo, las diferencis resultantes pueden derivar en una competencia entre estos linajes donde aquel con las posibilidades de desarrollar un potencial evolutivo más adecuado podrá prevalecer.
Este proyecto aprovecha un estudio de la evolución a largo plazo de Escherichia coli, dos grupos de clonas mostraron prevalencia a lo largo de varias generación, con un mayor potencial evolutivo (se introduce el término «evolvabilidad»): EW (ganadoras eventuales) y EL (perdedoras eventuales). Inicialmente el grupo EL parecía ser el más favorecido para desarrollarse y prevalecer pero en generaciones posteriores EW mostró una mejor capacidad comparado con el ancestro y termino por desplazar a EL, por lo que posee mejor potencial evolutivo comparado con EL. Por ello se sugiere también una selección dada por este potencial que parece darse en una segunda fase, por ello sugieren una selección de segundo orden.
Sobre este potencial genético, resulta importante el contexto genético del linaje, sea EW o EL y el camino que siguen las mutaciones sinónimas que se van dando, de modo que las mejor favorecida a largo plazo es EW donde el aumento de las diversificaciones es en generaciones posteriores a las que se muestran para EL que muestra cambios en etapas más tempranas.
La resecuenciación y comparación de secuencias para ubicar las divergencias entre estos linajes parece indicar que la mutación clave se da en spoT y parece ser la que diferencía EW y EL. Esta mutación no muestra tener un efecto aditivo con las otras detectadas para estos linajes (topA y topA1). Incluso, en el contexto de EL, al juntar topA1 y spoT pareció haber un efecto neutral o con menos beneficio, por lo que se sugiere un efecto de epistasis negativo en este caso. Así, aunque EL posea mejoras que adquiere rápidamente, esto parece disminuir las posibilidades de adquirir otra mejora importante en etapas tardías.
La capacidad metabólica de los seres vivos situarse mejor en el ambiente y tener una mayor tolerancia a los cambios de las condiciones ambientales. Este proceso de adaptación depende de la tasa de mutación, de la estructura de la población y de las interacciones epistáticas entre las mutaciones. Las condiciones en las que se desenvuelven los organismos van a determinar su potencial evolutivo; en el caso de los microorganismos, este potencial varía cuando la misma mutación tiene diferentes efectos de adecuación en diferentes “backgrounds” genéticos por efecto de las interacciones epistáticas. En bacterias, al realizar estudios de evolución experimental se ha observado la aparición de adaptaciones benéficas a lo largo de varias generaciones, a pesar de crecerlas bajo condiciones de cultivo constantes. En este caso, cepas de Escherichia coli que fueron cultivadas a lo largo de entre 1000 y 1500 generaciones generaron adaptaciones que eventualmente les otorgaba ventaja sobre las demás; que al ponerlas en competencia con las cepas ancestrales ambos genotipos mostraban cierta ventaja, lo cual puede ser el efecto de diferentes adaptaciones desarrolladas a lo largo del experimento. Sin embargo, se esperaba que las cepas que tenían la ventaja adaptativa fueran más exitosas, pero en la dinámica del experimento se observó un comportamiento opuesto. Esto pudo ser el resultado de un evento estocástico que les permitió obtener dicha ventaja evitando su extinción, reflejando una gran capacidad de adaptación. Esta capacidad de generar diversas respuestas adaptativas propicia que la dinámica evolutiva varié a lo largo del tiempo, y que las adaptaciones que inicialmente otorgaban ciertas ventajas dejen de serlo. Analíticamente, un cambio genético puede ser considerado como el causante de un aumento o disminución de la adecuación de los organismos; sin embargo, es muy probable que dicho cambio no actué por si solo y que sea el efecto de su interacción con otras mutaciones que en conjunto generan dicha repuesta. Este proceso adaptativo es conocido como “selección de segundo orden”, por lo que diversas variables están participando en la evolución de los seres vivos más allá de lo que ha sido descrito de forma básica y puntual.
El artículo trata sobre cómo la adecuación final a largo plazo de una cepa o variante depende de su capacidad evolutiva más que de la adecuación momentánea de alguna de las mutaciones que aparecen en un momento determinado de su historia evolutiva. Los autores se dan cuenta de que la mayor adecuación de las mutantes al final del experimento evolutivo no necesariamente corresponde con las portadoras de las primeras mutaciones ventajosas sino al contrario más bien inicialmente éstas no eran las más competentes (las de mayor frecuencia). Fue su contexto genético el que posteriormente les favoreció y al final del experimento dominaron con una mayor adecuación. Se plantearon tres posibles hipótesis una que existía un efecto de epistasis positiva (en donde la interacción de la nueva mutación en el contexto genético de la ganadora -EW- incrementa su adecuación), la epistasis negativa (cuando la misma situación disminuye la adecuación, en este caso de la perdedora -EL-), o bien existió una mutación asociada con la EW que generó un incremento en su tasa de mutación y aumentó así su capacidad evolutiva. Lo interesante es que para resolver estas preguntas usaron las cepas congeladas del experimento evolutivo de Escherichia coli, se hicieron construcciones genéticas para incluir un marcador genético (Ara- y Ara+) no epistático y se reinició nuevamente el experimento con 10 réplicas a partir de la generación 500 en donde identificaron el surgimiento de esas mutaciones. Al final secuencian 8 genomas tomados al azar representativos de las 4 líneas evolutivas experimentales. Las mutaciones observadas y los resultados de los experimentos de competencia (crecimiento) entre las distintas lineas mutantes ancestrales y derivadas demuestran que las adecuaciones relativas son cambiantes y que en realidad los efectos causados por las mutaciones sobre el gen spoT (relacionado con la transcripción de múltiples genes), dependen del contexto genético (en este caso del tipo de mutación sobre la topoisomerasa) diferente en las gandoras (con mutaciones topA) y en las perdedoras (mutación topA1). Por lo tanto, existe un efecto epistático negativo determinado por topA1, aunque la mutación spoT está presente en ambos fenotipos no beneficia de igual forma a la perdedora. En un inicio la perdedora tenía una mayor adecuación, pero un efecto espistático le cerró la puerta a su capacidad evolutiva a largo plazo.
Control de lectura 38
Second-order selection for evolvability in a large Escherichia coli population Second-Order Selection for Evolvability in a Large Escherichia coli Population. Robert J. Woods, et al. Science 331, 1433 (2011).
La evolutibidad se puede definir como el grado esperado al cual un linaje comienza a partir de un genotipo particular que incrementará la adecuación después de la evolución por cierto tiempo en un ambiente particular. Refleja una compleja integración probabilística de rutas accesibles en la adecuación ambiental influenciada por las tasas de mutación, estructura de la población, e interacciones epistáticas entre mutaciones. Experimentos reflejan que genotipos con elevadas tasas de mutación tienen mayor evolutibidad bajo ciertas condiciones. Encontraron en este artículo que subpoblaciones genéticamente distintas ya estaban presentes en una muestra en la generación 500 de un experimento con hasta ahora más de 50, 000 generaciones de E. coli. En particular caracterizaron clonas a 500, 1000 y 1500 generaciones para la presencia de cinco mutaciones benéficas previamente descubiertas. Mutaciones en el operon rbs y topA, y los genes glmUS y spot se fijaron en las poblaciones evolucionantes entre las generaciones 1000 y 1500. Se caracterizaron cepas eventualmente ganadoras (EW) con la mutación topArbs y los otros genotipos como los eventualmente perdedoras (EL). Se tomaron dos clonas a caracterizar por cada tipo EW1 y EW2, EL! Y EL2. Se hicieron experimentos de competencia con respecto a la cepa ancestral y se vio que estas 4 cepas están de 13 a 23% mas adecuados que el ancestro, siendo posible que estas 4 mutantes tengan otras mutaciones benéficas que les confieran mayor adecuación. Estos experimentos demuestran que las EW se encuentran en relativa desventaja con respecto a las EL y si dicha desventaja hubiera persistido, EWs habrían desaparecido después de 350 generaciones más. Pero se puede decir que EWs son suertudos por así decirlo ya que estocásticamente ganaron mutaciones benéficas que les permitieron rebasar la adecuación de las ELs. En resumen, los experimentos sugieren que no se trató de un caso de selección dependiente de frecuencias como uno podría haber advertido en la figura 3, esto es un caso de epítasis negativa en El y mutaciones sobre el gen spoT
Los comentarios están cerrados.