Hoppa till innehållet

Neutralt nätverk (evolution)

Från Wikipedia

Ett neutralt nätverk är en mängd gen- eller proteinsekvenser som är kopplade till varandra via punktmutationer och som har likvärdig funktion eller fitness. Man kan se dem som höga, platta platåer i en fitnesstopografi: under neutral evolution kan populationer driva slumpmässigt inom sådana nätverk och därigenom färdas genom sekvensrymden, något som kan påverka både robusthet och evolutionsbarhet.[1]

Proteiner uppvisar ofta robusthet mot mutationer, vilket skapar utsträckta nätverk av sekvenser med bibehållen funktion, sammanlänkade av neutrala förändringar.[2][3] Många olika aminosyrasekvenser kan vika sig till snarlika strukturer med lägre energi än den ovikta/missvikta formen (ΔΔG för vikning), tack vare ett distribuerat nät av kooperativa interaktioner (hydrofoba, polära och kovalenta).[4][5][6][7]

Proteiner har dessutom undvikit aggregering genom evolution, bl.a. via s.k. negativ design som minskar exponeringen av aggregationsbenägna β-strukturer.[8][9][10] Det finns även stöd för att den genetiska koden delvis gynnar konservativa aminosyrabyte, vilket gör punktmutationer mer sannolikt neutrala.[11][12] Tillsammans ger detta en fördelning av fitnesseffekter där neutral och nästan neutral variation är vanlig.[13]

Ett neutralt nätverk utgör en sammanhängande del av sekvensrymden med likvärdig funktion. Neutral evolution kan då liknas vid att populationen diffunderar från ett kluster av sekvenser, genom nätverket, till ett annat. En betydande andel av molekylär evolution bedöms vara neutral, vilket innebär att mycket av genförändring sker som förflyttning inom sådana nätverk.[14][15][16]

Ju fler neutrala grannar (sekvenser på ett mutationssteg med bibehållen funktion) en sekvens har, desto mer robust är den: mutationer leder då oftare bara till en annan, lika fungerande variant.[1] Om antalet neutrala grannar varierar mycket inom nätverket förutspås populationer samlas mot mer robusta sekvenser och bort från ”fitnesstup”.[16]

Robusthetens uttryck beror på samspelet mellan mutationshastighet, rekombinationshastighet, populationsdynamik och nätverkets struktur. Förhållandet mellan mutation och rekombination kan t.ex. styra om genotyper lokaliseras mot hög egencentralitet i nätverket eller mot attraktorer skapade av rekombinationsdynamiken.[17]

Förutsägelser från in silico-modeller har fått experimentellt stöd, bl.a. från riktad evolution av cytokrom P450-enzymer och β-laktamas.[18][19][20]

Sedan 1930-talet har man diskuterat hur genetisk drift kan samverka med selektion. Även om Sewall Wrights teori om skiftande balans delvis kritiserats, lyfte den fram idén att drift kan ackumulera kryptisk variation som senare kan möjliggöra snabb anpassning.[21][22][23][24]

Inom ett neutralt nätverk har alla sekvenser likvärdig primär funktion, men vissa kan uppvisa bifunktionell aktivitet/sidoreaktioner som kan utgöra startpunkter för ny funktion. Om neutrala nätverk för två olika aktiviteter överlappas, kan en neutralt drivande population nå områden där den ena aktiviteten ger tillträde till den andra, förutsatt att avståndet i sekvensrymden är tillräckligt litet. Hur mycket nätverken interpenetrerar avgör hur vanlig den kryptiska variationen för den sekundära aktiviteten är.[25][26][27]

Referenser

[redigera | redigera wikitext]
  1. 1 2 van Nimwegen, Erik; Crutchfield, James P.; Huynen, Martijn (1999-08-17). ”Neutral evolution of mutational robustness”. Proceedings of the National Academy of Sciences 96 (17): sid. 9716–9720. doi:10.1073/pnas.96.17.9716. ISSN 0027-8424. https://doi.org/10.1073/pnas.96.17.9716. Läst 4 november 2025.
  2. ↑ Taverna, Darin M; Goldstein, Richard A (2002-01). ”Why are proteins so robust to site mutations?”. Journal of Molecular Biology 315 (3): sid. 479–484. doi:10.1006/jmbi.2001.5226. ISSN 0022-2836. https://doi.org/10.1006/jmbi.2001.5226. Läst 4 november 2025.
  3. ↑ Tokuriki, Nobuhiko; Tawfik, Dan S (2009-10). ”Stability effects of mutations and protein evolvability”. Current Opinion in Structural Biology 19 (5): sid. 596–604. doi:10.1016/j.sbi.2009.08.003. ISSN 0959-440X. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2009.08.003. Läst 4 november 2025.
  4. ↑ Meyerguz, Leonid; Kleinberg, Jon; Elber, Ron (2007-07-10). ”The network of sequence flow between protein structures”. Proceedings of the National Academy of Sciences 104 (28): sid. 11627–11632. doi:10.1073/pnas.0701393104. ISSN 0027-8424. https://doi.org/10.1073/pnas.0701393104. Läst 4 november 2025.
  5. ↑ Karplus, Martin (2011-06-17). ”Behind the folding funnel diagram”. Nature Chemical Biology 7 (7): sid. 401–404. doi:10.1038/nchembio.565. ISSN 1552-4450. https://doi.org/10.1038/nchembio.565. Läst 4 november 2025.
  6. ↑ Tokuriki, Nobuhiko; Stricher, Francois; Schymkowitz, Joost; Serrano, Luis; Tawfik, Dan S. (2007-06). ”The Stability Effects of Protein Mutations Appear to be Universally Distributed”. Journal of Molecular Biology 369 (5): sid. 1318–1332. doi:10.1016/j.jmb.2007.03.069. ISSN 0022-2836. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2007.03.069. Läst 4 november 2025.
  7. ↑ Shakhnovich, Boris E.; Deeds, Eric; Delisi, Charles; Shakhnovich, Eugene (2005-03). ”Protein structure and evolutionary history determine sequence space topology”. Genome Research 15 (3): sid. 385–392. doi:10.1101/gr.3133605. ISSN 1088-9051. https://doi.org/10.1101/gr.3133605. Läst 4 november 2025.
  8. ↑ Monsellier, Elodie; Chiti, Fabrizio (2007-08). ”Prevention of amyloid‐like aggregation as a driving force of protein evolution”. EMBO reports 8 (8): sid. 737–742. doi:10.1038/sj.embor.7401034. ISSN 1469-221X. https://doi.org/10.1038/sj.embor.7401034. Läst 4 november 2025.
  9. ↑ Fink, Anthony L (1998-02). ”Protein aggregation: folding aggregates, inclusion bodies and amyloid”. Folding and Design 3 (1): sid. R9–R23. doi:10.1016/s1359-0278(98)00002-9. ISSN 1359-0278. https://doi.org/10.1016/s1359-0278(98)00002-9. Läst 4 november 2025.
  10. ↑ Richardson, Jane S.; Richardson, David C. (2002-03-05). ”Natural β-sheet proteins use negative design to avoid edge-to-edge aggregation”. Proceedings of the National Academy of Sciences 99 (5): sid. 2754–2759. doi:10.1073/pnas.052706099. ISSN 0027-8424. https://doi.org/10.1073/pnas.052706099. Läst 4 november 2025.
  11. ↑ Müller, Manuel M.; Allison, Jane R.; Hongdilokkul, Narupat; Gaillon, Laurent; Kast, Peter; van Gunsteren, Wilfred F. (2013-01-03). ”Directed Evolution of a Model Primordial Enzyme Provides Insights into the Development of the Genetic Code”. PLoS Genetics 9 (1): sid. e1003187. doi:10.1371/journal.pgen.1003187. ISSN 1553-7404. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1003187. Läst 4 november 2025.
  12. ↑ Firnberg, Elad; Ostermeier, Marc (2013-06-10). ”The genetic code constrains yet facilitates Darwinian evolution”. Nucleic Acids Research 41 (15): sid. 7420–7428. doi:10.1093/nar/gkt536. ISSN 1362-4962. https://doi.org/10.1093/nar/gkt536. Läst 4 november 2025.
  13. ↑ Hietpas, Ryan T.; Jensen, Jeffrey D.; Bolon, Daniel N. A. (2011-04-04). ”Experimental illumination of a fitness landscape”. Proceedings of the National Academy of Sciences 108 (19): sid. 7896–7901. doi:10.1073/pnas.1016024108. ISSN 0027-8424. https://doi.org/10.1073/pnas.1016024108. Läst 4 november 2025.
  14. ↑ Kimura, Motoo (1983-10-27). The Neutral Theory of Molecular Evolution. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-23109-1. https://doi.org/10.1017/cbo9780511623486. Läst 4 november 2025
  15. ↑ KIMURA, MOTOO (1968-02). ”Evolutionary Rate at the Molecular Level”. Nature 217 (5129): sid. 624–626. doi:10.1038/217624a0. ISSN 0028-0836. https://doi.org/10.1038/217624a0. Läst 4 november 2025.
  16. 1 2 PROULX, S. R.; ADLER, F. R. (2010-06-23). ”The standard of neutrality: still flapping in the breeze?”. Journal of Evolutionary Biology 23 (7): sid. 1339–1350. doi:10.1111/j.1420-9101.2010.02006.x. ISSN 1010-061X. https://doi.org/10.1111/j.1420-9101.2010.02006.x. Läst 4 november 2025.
  17. ↑ Sella, Yehonatan; Bergman, Aviv (2025-06-03). ”Robustness revisited: On the neutral evolution of centrality and localization”. Proceedings of the National Academy of Sciences 122 (22): sid. e2421006122. doi:10.1073/pnas.2421006122. PMID 40440062. PMC: 12146759. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2421006122. Läst 4 november 2025.
  18. ↑ van Nimwegen, Erik; Crutchfield, James P.; Huynen, Martijn (1999-08-17). ”Neutral evolution of mutational robustness”. Proceedings of the National Academy of Sciences 96 (17): sid. 9716–9720. doi:10.1073/pnas.96.17.9716. ISSN 0027-8424. https://doi.org/10.1073/pnas.96.17.9716. Läst 4 november 2025.
  19. ↑ Bloom, Jesse D; Lu, Zhongyi; Chen, David; Raval, Alpan; Venturelli, Ophelia S; Arnold, Frances H (2007-07-17). ”Evolution favors protein mutational robustness in sufficiently large populations”. BMC Biology 5 (1). doi:10.1186/1741-7007-5-29. ISSN 1741-7007. https://doi.org/10.1186/1741-7007-5-29. Läst 4 november 2025.
  20. ↑ Bershtein, Shimon; Goldin, Korina; Tawfik, Dan S. (2008-06). ”Intense Neutral Drifts Yield Robust and Evolvable Consensus Proteins”. Journal of Molecular Biology 379 (5): sid. 1029–1044. doi:10.1016/j.jmb.2008.04.024. ISSN 0022-2836. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2008.04.024. Läst 4 november 2025.
  21. ↑ ”Errata 'Proc. 6th Int. Vacuum Congr., Kyoto, 1974'”. Japanese Journal of Applied Physics 13 (S1): sid. 866. 1974-01-01. doi:10.7567/jjap.13s1.866. ISSN 0021-4922. https://doi.org/10.7567/jjap.13s1.866. Läst 4 november 2025.
  22. ↑ Coyne, Jerry A.; Barton, Nicholas H.; Turelli, Michael (1997-06). ”Perspective: A Critique of Sewall Wright's Shifting Balance Theory of Evolution”. Evolution 51 (3): sid. 643. doi:10.2307/2411143. ISSN 0014-3820. https://doi.org/10.2307/2411143. Läst 4 november 2025.
  23. ↑ Davies, Esther K.; Peters, Andrew D.; Keightley, Peter D. (1999-09-10). ”High Frequency of Cryptic Deleterious Mutations in Caenorhabditis elegans”. Science 285 (5434): sid. 1748–1751. doi:10.1126/science.285.5434.1748. ISSN 0036-8075. https://doi.org/10.1126/science.285.5434.1748. Läst 4 november 2025.
  24. ↑ Masel, Joanna (2006-03-01). ”Cryptic Genetic Variation Is Enriched for Potential Adaptations”. Genetics 172 (3): sid. 1985–1991. doi:10.1534/genetics.105.051649. ISSN 1943-2631. https://doi.org/10.1534/genetics.105.051649. Läst 4 november 2025.
  25. ↑ Hayden, Eric J.; Ferrada, Evandro; Wagner, Andreas (2011-06). ”Cryptic genetic variation promotes rapid evolutionary adaptation in an RNA enzyme”. Nature 474 (7349): sid. 92–95. doi:10.1038/nature10083. ISSN 0028-0836. https://doi.org/10.1038/nature10083. Läst 4 november 2025.
  26. ↑ Bornberg-Bauer, Erich; Huylmans, Ann-Kathrin; Sikosek, Tobias (2010-06). ”How do new proteins arise?”. Current Opinion in Structural Biology 20 (3): sid. 390–396. doi:10.1016/j.sbi.2010.02.005. ISSN 0959-440X. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2010.02.005. Läst 4 november 2025.
  27. ↑ Wagner, Andreas (2011-07-14). The origins of evolutionary innovation. Oxford University Press. sid. 68–82. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199692590.003.0095. Läst 4 november 2025
Hämtad från ”https://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Neutralt_nätverk_(evolution)&oldid=59781535”