Влияние ошибок трансляции на фенотипическую изменчивость и приспособленность клеток

Фенотипическая изменчивость в популяциях с идентичным генотипом может возникать из-за негенетических причин, включая стохастические ошибки в экспрессии генов. Особенно высок уровень ошибок на последнем этапе — при трансляции РНК в белок (~1 на 104). Теоретически, ошибки трансляции должны вести к гетерогенности протеома и повышать изменчивость в популяции, что может помочь адаптации. Однако у этого предположения есть три ключевых «подводных камня»:

  1. Клетки защищены от ошибок трансляции.
  2. Случайные ошибки чаще вредны.
  3. Изменчивость на уровне протеома не наследуется.

Исследователи из лаборатории NCBS проверили эти гипотезы на бактерии E. coli.

Результаты эксперимента

  • Манипулируя уровнем ошибок трансляции (с помощью генетических и средовых изменений), ученые оценили их влияние на параметры популяции (скорость роста, время задержки, урожай) и отдельные клетки (длина клетки, время деления).
  • На уровне отдельных клеток: повышение уровня ошибок трансляции приводило к большей изменчивости длины клетки и времени деления. Снижение ошибок давало обратный эффект.
  • На уровне популяции: четкой корреляции между уровнем ошибок и изменчивостью параметров роста не обнаружено. Это противоречие требует объяснения: возможно, изменчивость между клетками нивелируется на уровне популяции, или клетки с субоптимальными фенотипами элиминируются отбором.

Адаптивность или вред?

  • В оптимальных условиях любое отклонение от естественного уровня ошибок трансляции (как увеличение, так и уменьшение) было невыгодно для бактерий. Клетке необходим баланс между скоростью и точностью синтеза белка.
  • В стрессовых условиях (высокая температура, голодание) клетки с повышенным уровнем ошибок трансляции чаще выживали. Вероятно, большая изменчивость повышает шанс появления особей, устойчивых к стрессу. Прямая причинно-следственная связь пока не доказана.

Наследуемость эффекта

Самое неожиданное наблюдение: даже кратковременное изменение уровня ошибок трансляции улучшало выживаемость при стрессе в последующих поколениях. Это странно, так как протеомная изменчивость не считается наследуемой. Механизм этого явления требует дальнейшего изучения.

Выводы и перспективы

Исследование показывает, что ошибки трансляции действительно увеличивают фенотипическую изменчивость на клеточном уровне и могут влиять на эволюционный потенциал популяции, особенно в условиях стресса. Однако оно же ставит новые вопросы:

  • Почему клеточная изменчивость не проявляется на уровне популяций?
  • Как именно ошибки трансляции повышают устойчивость к стрессу?
  • Каким образом эффект ошибок передается по поколениям?

Как отмечает ведущий автор работы Лаасья Самхита: «Открытие того, что ошибки трансляции могут увеличивать фенотипическую изменчивость признаков, связанных с приспособленностью, интересно и потенциально значимо для эволюции». Поиск ответов продолжается.