Основы концепции CNE были заложены в двух статьях 1990-х годов, хотя впервые явно предложены Арлином Штольцфусом в 1999 году. [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] Первые предположения о роли CNE были высказаны в эволюционном происхождении сложных макромолекулярных машин, таких как сплайсосома , аппарат редактирования РНК , дополнительные рибосомные белки, шапероны и т. д. [ 4 ] [ 6 ] [ 7 ] С тех пор и как новое направление исследований в области молекулярной эволюции [ 8 ] CNE применялась к более широким особенностям биологии и эволюционной истории , включая некоторые модели эукариогенеза , возникновение сложной взаимозависимости в микробных сообществах и образование de novo функциональных элементов из нефункциональных транскриптов мусорной ДНК . [ 9 ] [ 10 ] Некоторые подходы предполагают сочетание нейтрального и адаптивного вклада в эволюционное происхождение различных признаков. [ 11 ]

Многие эволюционные биологи утверждают, что CNE должна быть нулевой гипотезой при объяснении возникновения сложных систем, чтобы избежать предположения, что признак возник для адаптивной выгоды. Признак мог возникнуть нейтрально, даже если позже был кооптирован для другой функции. Этот подход подчеркивает необходимость строгих демонстраций адаптивных объяснений при описании возникновения признаков. Это позволяет избежать «заблуждения адаптациониста», которое предполагает, что все признаки возникают, потому что они адаптивно поддерживаются естественным отбором . [ 9 ] [ 12 ]

Концептуально, есть два компонента A и B (например, два белка), которые взаимодействуют друг с другом. A, который выполняет функцию для системы, не зависит от его взаимодействия с B для своей функциональности, и само взаимодействие могло случайно возникнуть у особи со способностью исчезать без влияния на приспособленность A. Это существующее, но в настоящее время ненужное взаимодействие поэтому называется «избыточной емкостью» системы. Затем может произойти мутация, которая ставит под угрозу способность A выполнять свою функцию независимо. Однако взаимодействие A:B, которое уже возникло, поддерживает способность A выполнять свою первоначальную функцию. Следовательно, возникновение взаимодействия A:B «предподавляет» пагубную природу мутации, делая ее нейтральным изменением в геноме, которое способно распространяться по популяции посредством случайного генетического дрейфа. Следовательно, A приобрел зависимость от своего взаимодействия с B. [ 13 ] В этом случае потеря B или взаимодействия A:B будет иметь отрицательное влияние на приспособленность, и поэтому очищающий отбор устранит особей, у которых это происходит. Хотя каждый из этих шагов по отдельности обратим (например, A может восстановить способность функционировать независимо или взаимодействие A:B может быть утрачено), случайная последовательность мутаций имеет тенденцию еще больше снижать способность A функционировать независимо, а случайное блуждание по пространству зависимостей вполне может привести к конфигурации, в которой возврат к функциональной независимости A слишком маловероятен, что делает CNE однонаправленным или «храповым» процессом. [ 14 ]

Модели CNE систематической комплексификации могут в решающей степени полагаться на некоторое систематическое смещение в генерации вариации. Это объясняется относительно исходного набора моделей CNE следующим образом: [ 1 ]

В случаях перестановки генов и панредактирования РНК, а также при фрагментации интронов начальное состояние системы (неперестановочное, неотредактированное, нефрагментированное) является уникальным или редким по отношению к некоторому обширному набору комбинаторных возможностей (перестановочное, отредактированное, фрагментированное), которые могут быть достигнуты путем мутации и (возможно, нейтральной) фиксации. Результирующее системное смещение приводит к отходу от маловероятного начального состояния к одному из многих альтернативных состояний. В модели редактирования мутационное смещение делеция:вставка играет вспомогательную роль. В модели дупликации генов, а также при объяснении потери самосплайсинга и происхождения зависимостей белков при сплайсинге предполагается, что мутации, которые снижают активность, сродство или стабильность, встречаются гораздо чаще, чем мутации с противоположным эффектом. Результирующая направленность заключается в том, что активность дублирующихся генов снижается, а интроны теряют способность к самосплайсингу, становясь зависимыми от доступных белков, а также от транс-действующих фрагментов интронов.

То есть, некоторые из моделей имеют компонент долгосрочной направленности, который отражает смещения в вариации. Популяционно-генетический эффект смещения в процессе введения, который появился как вербальная теория в первоначальном предложении CNE, [ 1 ] был позже сформулирован и продемонстрирован формально [ 15 ] (см. Смещение во введении вариации ). Этот вид эффекта не требует нейтральной эволюции, придавая правдоподобность предположению [ 1 ] о том, что компоненты моделей CNE могут рассматриваться в общей теории комплексификации, не связанной конкретно с нейтральностью.

Случай CNE — субфункционализация . Концепция субфункционализации заключается в том, что один исходный (предковый) ген дает начало двум паралогичным копиям этого гена, где каждая копия может выполнять только часть функции (или подфункции) исходного гена. Во-первых, ген подвергается событию дупликации гена . Это событие производит новую копию того же гена, известную как паралог. После дупликации в обеих копиях гена накапливаются вредные мутации. Эти мутации могут поставить под угрозу способность гена производить продукт, который может выполнить желаемую функцию, или это может привести к тому, что продукт полностью потеряет одну из своих функций. В первом сценарии желаемая функция все еще может быть выполнена, поскольку две копии гена вместе (в отличие от наличия только одной) все еще могут производить достаточно продукта для работы. Теперь организм зависит от наличия двух копий этого гена, которые обе являются слегка вырожденными версиями своего предка. Во втором сценарии гены могут подвергаться мутациям, при которых они теряют комплементарные функции. То есть, один белок может потерять только одну из своих двух функций, тогда как другой белок теряет только другую из своих двух функций. В этом случае два гена теперь выполняют только индивидуальные подфункции исходного гена, и организм зависит от наличия каждого гена для выполнения каждой индивидуальной подфункции. [ 1 ] [ 16 ]

Паралоги, которые функционально взаимодействуют для поддержания функции предка, можно назвать «паралогичными гетеромерами». [ 17 ] Одно высокопроизводительное исследование подтвердило, что рост таких взаимодействий между паралогичными белками как одной из возможных долгосрочных судеб паралогов часто встречается у дрожжей , и то же исследование далее обнаружило, что паралогичные гетеромеры объясняют сети белок-белкового взаимодействия (PPI) эукариот. Одним из специфических механизмов эволюции паралогичных гетеромеров является дупликация предкового белка, взаимодействующего с другими его копиями (гомомерами). Чтобы изучить роль этого процесса в происхождении паралогичных гетеромеров, было обнаружено, что онологи (паралоги, возникающие в результате дупликации всего генома), которые образуют паралогичные гетеромеры в Saccharomyces cerevisiae (почковых дрожжах), с большей вероятностью имеют гомомерные ортологи, чем онологи в Schizosaccharomyces pombe . Похожие закономерности были обнаружены в сетях PPI человека и модельного растения Arabidopsis thaliana . [ 17 ]

Для положительной идентификации признаков, как эволюционировавших через CNE, возможны несколько подходов. Основное понятие CNE заключается в том, что признаки, эволюционировавшие через CNE, являются сложными, но не обеспечивают преимущества в приспособленности по сравнению с их более простыми предками. То есть, произошла ненужная усложненность. В некоторых случаях филогения может использоваться для проверки предковых версий систем и для того, чтобы увидеть, были ли эти предковые версии проще, и если да, то сопровождалось ли повышение сложности преимуществом в приспособленности (т. е. действовало как адаптация). Хотя не так просто определить, насколько адаптивным было возникновение сложного признака, доступны некоторые методы. Если более сложная система имеет те же нисходящие эффекты в своем биохимическом пути, что и предковая и более простая система, это говорит о том, что усложненность не повлекла за собой никакого увеличения приспособленности. Этот подход проще при анализе сложных признаков, которые эволюционировали позже и таксономически ограничены в нескольких линиях, потому что «производные признаки легче сравнивать с их сестрами и предполагаемыми предками». [ 18 ] «Золотой стандарт» подхода к выявлению случаев CNE включает прямое экспериментирование, в ходе которого реконструируются предковые версии генов и систем , а их свойства определяются напрямую. [ 2 ] Первый пример включал анализ компонентов протонного насоса V-АТФазы в грибковых линиях. [ 18 ]

Системы редактирования РНК имеют неоднородное филогенетическое распределение, что указывает на то, что они являются производными признаками. Редактирование РНК требуется, когда геному (чаще всего митохондриальному) необходимо отредактировать свою мРНК посредством различных замен, делеций и вставок перед трансляцией. Молекулы направляющей РНК, полученные из отдельных полукруглых нитей ДНК, обеспечивают правильную последовательность для комплекса редактирования РНК, чтобы сделать соответствующие правки. Комплекс редактирования РНК у кинетопластид может включать более 70 белков в некоторых таксономически ограниченных линиях и опосредовать тысячи правок. Другой таксономически ограниченный случай другой формы системы редактирования РНК обнаружен у наземных растений. У кинетопластид редактирование РНК включает добавление тысяч нуклеотидов и делецию нескольких сотен. Однако необходимость этой чрезвычайно сложной системы сомнительна. Подавляющее большинство организмов не полагаются на системы редактирования РНК, а в тех, у которых они есть, необходимость в них неясна, поскольку оптимальным решением было бы, чтобы последовательность ДНК изначально не содержала неправильных (или отсутствующих) нуклеотидов в нескольких тысячах сайтов. Кроме того, трудно утверждать, что система редактирования РНК возникла только в ответ и для исправления генома, дефектного до такой степени, поскольку такой геном был бы крайне вреден для хозяина и изначально был бы устранен посредством очищающего (отрицательного) отбора . Однако сценарий, в котором примитивная система редактирования РНК возникла беспричинно до внесения ошибок в геном, более экономичен. После того, как возникла система редактирования РНК, исходный митохондриальный геном смог бы переносить ранее вредные замены, делеции и добавления без влияния на приспособленность. После того, как произошло достаточное количество этих вредных мутаций, организм к этому моменту развил бы зависимость от системы редактирования РНК, чтобы добросовестно исправлять любые неточные последовательности. [ 4 ] [ 5 ]

Мало кто из эволюционных биологов верит, что первоначальное распространение интронов по геному и среди множества генов могло бы быть эволюционным преимуществом для рассматриваемого организма. Скорее, распространение интрона в ген в организме без сплайсосомы было бы пагубным, и очищающий отбор устранил бы особей, у которых это произошло. Однако, если примитивная сплайсосома появилась до распространения интронов в геном хозяина, последующее распространение интронов не было бы пагубным, поскольку сплайсосома была бы способна вычленять интроны и, таким образом, позволять клетке точно транслировать транскрипт матричной РНК в функциональный белок. [ 19 ] Пять малых ядерных РНК (мяРНК), которые действуют для сплайсинга интронов из генов, как полагают, происходят от интронов группы II , и поэтому может быть, что эти интроны группы II сначала распространились и фрагментировались на «пять простых частей» в хозяине, где они образовали небольшие транс-действующие предшественники пяти современных и основных мяРНК, используемых в сплайсинге. Эти предшественники обладали способностью сплайсировать другие интроны в последовательности гена, что затем позволило интронам распространиться в гены без пагубного эффекта. [ 11 ] [ 20 ]

В ходе эволюции возникло множество микробных сообществ, в которых отдельные виды не являются самодостаточными и требуют мутуалистического присутствия других микробов для выработки для них важных питательных веществ. Эти зависимые микробы испытали «адаптивную потерю генов» перед лицом возможности получать определенные сложные питательные вещества из своей среды вместо того, чтобы синтезировать их напрямую. По этой причине многие микробы выработали сложные пищевые потребности, которые помешали их выращиванию в лабораторных условиях. Это высокозависимое состояние многих микробов от других организмов похоже на то, как паразиты претерпевают значительное упрощение, когда большое разнообразие их пищевых потребностей доступно от их хозяев. Дж. Джеффри Моррис и соавторы объяснили это с помощью «гипотезы черной королевы». [ 21 ] В качестве коллег, У. Форд Дулиттл и Т.Д.П. Брюне предложили «гипотезу серой королевы», чтобы объяснить возникновение этих сообществ с помощью CNE. Первоначально потеря генов, необходимых для синтеза важных питательных веществ, была бы пагубной для организма и поэтому была бы устранена. Однако в присутствии других видов, где эти питательные вещества свободно доступны, мутации, которые вырождают гены, ответственные за синтез важных питательных веществ, больше не являются вредными, поскольку эти питательные вещества могут быть просто импортированы из окружающей среды. Следовательно, существует «предварительное подавление» вредной природы этих мутаций. Поскольку эти мутации больше не являются вредными, вредные мутации в этих генах свободно накапливаются и делают эти организмы теперь зависимыми от присутствия дополнительных микробов для обеспечения их потребностей в питании. Это упрощение отдельных видов микробов в сообществе приводит к более высокой сложности и взаимозависимости на уровне сообщества. [ 9 ]

CNE также была выдвинута в качестве нулевой гипотезы для объяснения сложных структур, и, таким образом, адаптационистские объяснения возникновения сложности должны быть строго проверены в каждом конкретном случае на основе этой нулевой гипотезы перед принятием. Основания для привлечения CNE в качестве нулевой включают то, что она не предполагает, что изменения давали адаптивное преимущество хозяину или что они были направленно отобраны, при этом сохраняя важность более строгих демонстраций адаптации при привлечении, чтобы избежать чрезмерных недостатков адаптационизма, критикуемого Гулдом и Левонтином. [ 12 ] [ 9 ] [ 22 ]

Юджин Кунин утверждал, что для того, чтобы эволюционная биология стала строго «жесткой» наукой с прочным теоретическим ядром, необходимо включить нулевые гипотезы, а альтернативы должны опровергнуть нулевую модель, прежде чем быть принятыми. В противном случае, «просто так» адаптивные истории могут быть предложены для объяснения любой черты или особенности. Для Кунина и других конструктивная нейтральная эволюция играет роль этого нуля. [ 12 ]

• адаптационизм
• Предвзятость при введении вариации
• Нейтральная теория молекулярной эволюции
• Субфункционализация