Epistaasi on ongelma kehitysopille

Naturessa julkaistun uuden tutkimuksen mukaan epistaasi on paljon kokonaisvaltaisempi ilmiö kuin on tähän asti otaksuttu. Tämä rajoittaa voimakkaasti hyödyllisten mutaatioiden vaikutusta eliöiden kelpoisuuden lisäämisessä.

Evoluutioteorian mukaan mutaatiota on kolmenlaisia: haitallisia, neutraaleja ja hyödyllisiä, joista jälkimmäiset ovat evoluution kannalta tärkeimmät. Ilman niitä evoluutiota ei tapahtuisi. Darwin itse totesi, että luonnonvalinta säilyttää hyvät muutokset. Epistaasi kuitenkin sotkee tämän yksinkertaistetun kuvan evoluutiosta.

Epistaasia pitäisi verrata tietokoneen ohjelmakoodiin kirjan sijaan. Kirjassa yksittäinen kirjoitusvirhe ei vaikuta ratkaisevasti viestin ymmärtämiseen, mutta tietokonekoodissa yhdelläkin kirjoitusvirheellä voi olla vakavia seurauksia ohjelman toiminnan kannalta ja sen vaikutukset voivat näkyä jossakin toisessa osassa ohjelmakoodia. Epistaasilla on samanlainen vaikutus: mutaatio yhdessä geenissä voi vaikuttaa haitallisesti jonkin toisen geenin toimintaan. Hyödyllinen mutaatio yhdessä geenissä voi olla haitallinen toiselle geenille.

Ryhmä espanjalaisia geneetikkoja tarkasteli epistaasia tunnetuissa genomeissa ja he havaitsivat sen olevan kokonaisvaltaisempaa kuin on oletettu. Breen et al. kirjoittavat:

"...mitattu yksittäisten aminohappojen muutosnopeus lähiaikoina tapahtuneessa evoluutiossa on 20 kertaa alhaisempi kuin neutraalievoluution nopeus ja kertaluokkaa alhaisempi kuin voitaisiin olettaa ilman epistaasia. Havainnot osoittavat, että epistaasi vaikuttaa laaja-alaisesti proteiinien evoluutioon: n. 90 %:lla aminohappomuutoksista on neutraali tai hyödyllinen vaikutus vain siinä geeniympäristössä, missä ne tapahtuvat ja siksi niillä täytyy olla haitallinen vaikutus toisen lajin geeniympäristössä. Havaintomme osoittavat, että useimmilla yksittäisillä aminohappomuutoksilla on erilaisia vaikutuksia eri eliölajien kelpoisuuteen ja että epistaasi tarjoaa käsitteellisen viitekehyksen pitkäaikaisen proteiinievoluution tarkasteluun."

Tutkijat myös kertovat, miten epistaasi vaikuttaa evoluutioon:

"Aminohappomuutos, joka on neutraali tai hyödyllinen yhdessä geeniympäristössä, voi olla haitallinen toisessa. Tilannetta, jossa alleelin kelpoisuusvaikutus on riippuvainen alleeleista muulla genomissa, kutsutaan epistaasiksi. Sekä proteiinievoluution neutraali- että valintateoria tarjoaa tarkan viitekehyksen pitkän aikavälin proteiinievoluution ymmärtämiseksi, vain mikäli alleeleilla on genomin eri osissa samanlainen kelpoisuusvaikutus eli epistaasia ei tapahdu. Ilman epistaasia aminohappomuutokset eivät vaikuta toisiinsa ja niillä oletetaan olevan samanlainen kelpoisuusvaikutus eri lajeissa, paitsi siinä tapauksessa, jossa ne aiheuttavat eroja sopeutumisessa erilaisiin elinympäristöihin... Mikäli epistaasi on yleistä, niin silloin neutraalit tai hyödylliset aminohappomuutokset yhdessä lajissa ovat haitallisia toisessa. Epistaasin kokonaisvaltaisten vaikutusten selvittäminen on tärkeää, jotta voimme ymmärtää lajikohtaisia proteiinieroja ja pitkäaikaista proteiinievoluutiota... Tällä hetkellä emme tiedä mikä määrä aminohappomuutoksia yhdessä lajissa on hyväksyttävää toisen lajin ortologisissa geeneissä."

Näyttää ilmeiseltä, että muuttuneen geenin kytkentä muihin geeneihin tekee mahdollisuuden evolutiiviseen kehitykseen epätodennäköiseksi. Hyödyllisen mutaation pitäisi olla hyödyllinen myös muissa vaikutuspaikoissaan. Vastaavasti neutraalit tai lähes neutraalit mutaatiot ovat vähemmän todennäköisiä, koska niilläkin voi olla haitallisia vaikutuksia muissa geeneissä. Tähän viittaa myös tutkijoiden toteamus: "havaintoaineistossamme positiivinen valinta ei ollut yleistä proteiinievoluutiossa."

Kehitysopin kannalta tutkijoiden havainnot eivät ole erityisen rohkaisevia ja tutkijat päätyvät esittämään vain uusia kysymyksiä.

"Me olemme havainneet epistaasilla olevan huomattava vaikutus pitkäaikaisessa proteiinievoluutiossa. Sen avulla voidaan selittää miksi valtaosa yhdellä lajilla tapahtuvista aminohappomuutoksista ei voi tapahtua toisessa lajissa riippumatta siitä onko positiivisella valinnalla merkittävä vaikutus fiksaatioon tietyssä geeniympäristössä. Epistaattinen näkökulma molekyylievoluutioon johtaa useisiin perustavaa laatua oleviin kysymyksiin, sen lisäksi, että John Maynard Smithin v. 1970 esittämät kysymykset ovat edelleen pääosin vastausta vailla. Ensiksi, kuinka paljon aminohappomuutokset tietyn geenipaikan ulkopuolella tai koko genomissa vaikuttavat valintaan, joihin tietyn geenipaikan aminohappomuutokset vaikuttavat? Toiseksi, onko genomissa parittaisten epistaattisten kytkentöjen lisäksi erillisiä epistaattisia aliverkkoja vai ovatko useimmat kytkennät osa yhtenäistä epistaasiverkkoa? Kolmanneksi, mikä on geenin sisäisten ja geenienvälisten epistaattisten kytkentöjen suhde? Neljänneksi, mikä on genomin epistaattisten kytkentöjen molekulaarinen tausta? Lopuksi, pitkäaikaisessa proteiinievoluutiossa kokonaisvaltaisesti vaikuttava epistaasi on mahdollinen myös lyhytaikaisessa evoluutiossa ja tilanteet, joissa monimuotoisuus (polymorfismi) on hyödyllistä jollekin populaation jäsenelle ja haitallista toiselle, saattavat olla yleisempiä kuin on tähän asti otaksuttu."

Tutkijoiden havainnot epistaasin vaikutuksista ovat sopusoinnussa Jianzhi Zhangin ja Peter Andolfatton näkemysten kanssa, joiden mukaan spesifejä toimintoja solussa voidaan toteuttaa vain muutamalla molekyylimekanismilla. Tällöin on paljon todennäköisempää saada muutoksella aikaiseksi enemmän haittaa kuin hyötyä. Tätä ajatusta tukee myös George Rosen ja Peter Tompan havainnot solun interaktomien (erilaisten kytkentätilojen) lukumäärästä, joka on tähtitieteellisen suuri luku. Huonosti toimivan tai toimimattoman kytkennän löytäminen on erittäin paljon todennäköisempää kuin toimivan kytkennän löytäminen.

Uudet tutkimukset tuovat jatkuvasti esiin kehitysopille "haitallisia" seikkoja. Mikäli evoluutio vaikuttaa myös kehitysoppiin, niin sekin näyttää olevan matkalla kohti sukupuuttoa "haitallisten mutaatioiden" rikastuessa perimään.



Lähde:


http://www.evolutionnews.org/2012/11/epistasis_decr066061.html