Stability of phenotypes in face of increasing genetic variation

Zmienność genetyczna może być normalnie niewidoczna, ale „uwalniana”, gdy zachodzą znaczne zaburzenia środowiskowe lub genetyczne. Taka zmienność jest znajdywana u wszystkich badanych organizmów. Jej odkrycie wywołało kilka ważnych pytań. W tej pracy omawiam niektóre idee i dane empiryczne odnoszące się do tych pytań. Po pierwsze, jak wykrywać i mierzyć genetic robustness, czyli zdolność organizmu do ukrywania zmienności genetycznej. Przedstawiam kilka zaproponowanych miar genetic robustness, takich jak wariancja mutacyjna, wpływ nowo nabytych mutacji czy korelacja cechy ze stojącym za nią czynnikiem genetycznym. Po drugie, jakie mechanizmy pozwalają na buforowanie zmienności genetycznej. Jednym z nich jest redundancja — wiele części (genów, enzymów itd.) pełni te same funkcje. Innym jest zdolność organizmu do realizowania tej samej funkcji (np. przemian metabolicznych) za pomocą różnych narzędzi (np. różnych ścieżek metabolicznych). Wiele pracy włożono w próby oszacowania znaczenia tych dwu mechanizmów, zwłaszcza u modelowego jednokomórkowego eukarionta, Saccharomyces cerevisiae. Zarówno redundancja, jak topologie sieci metabolicznych i genetycznych okazały się mieć udział w tworzeniu genetic robustness organizmów. Białka opiekuńcze stanowią kolejny potencjalnie ważny mechanizm buforujący. Po trzecie, w jaki sposób mechanizmy te ewoluują. Proponowano trzy główne typy scenariuszy ewolucji genetic robustness. Zgodnie ze scenariuszami nieodłączności, złożoność układów żywych, nieliniowość interakcji genów lub dobór na pewne cechy (np. stabilność termodynamiczną białek) mogą powodować wzrost genetic robustness. Scenariusze kongruencji przedstawiają genetic robustness jako produkt uboczny robustness wyewoluowanej w odpowiedzi na zakłócenia środowiskowe. Według scenariuszy adaptatywnych, genetic robustness może znajdować się pod bezpośrednim doborem. Możliwość istnienia takiego doboru jest kontrowersyjna. Wiele wysiłku poświęcono na przewidzenie warunków, w których taki dobór mógłby działać. Opracowano między innymi liczne modele matematyczne. Okazuje się, że organizmy mogą osiągnąć w ewolucji genetic robustness nie tylko dzięki wyspecjalizowanym mechanizmom buforującym, ale również dzięki zajmowaniu odpowiednich miejsc w sieciach neutralnych, jak w dobrze udokumentowanym przypadku sekwencji pre-miRNA. Po czwarte, jak ukryta zmienność genetyczna wpływa na ewoluowalnść organizmów i populacji. Wydaje się, że czasem sama robustness może zwiększyć ewoluowalność. Są również spekulacje, że kondensatory ewolucyjne — włączane i wyłączane mechanizmy buforujące — umożliwiają gromadzenie ukrytej zmienności genetycznej w okresach ewolucyjnie stabilnych i jej uwalnianie w okresach zmian środowiskowych. Inną możliwością jest uwalnianie zmienności genetycznej w populacjach przechodzących przez wąskie gardła. Ponieważ różne tła genetyczne tego samego fenotypu mogą stanowić bazę dla różnych przystosowań, ukryta zmienność genetyczna może przyczyniać się do ewoluowalności, również gdy nie jest uwalniana.

Genetic variation can be normally invisible but ‘released’ when major genetic or environmental perturbations occur. Such cryptic variation is ubiquitous in virtually all tested organisms. Its discovery has led to several important questions. Here I review some concepts and empirical data addressing these questions. First, how to detect and measure genetic robustness, that is, the ability to hide genetic variation. I discuss several proposed measures of genetic robustness, e.g. mutational variance, effect of newly acquired mutations, or correlation of the trait and the genetic factor behind it. Second, what are the mechanisms enabling buffering of the genetic variation. One of them is redundancy – multiple parts (genes, enzymes, etc.) share the same functions. Another one is the ability of the organism to perform the same function (e.g. metabolic conversions) through different tools (e.g. different metabolic pathways). Substantial amount of work was done to estimate the importance of either of them, especially in a model unicellular eukaryote, Saccharomyces cerevisiae. Both the redundancy and topologies of metabolic and genetic networks have been confirmed to contribute to genetic robustness of organisms. Molecular chaperones constitute another potentially important buffering mechanism. Third, how these mechanisms evolve. Three basic classes of scenarios of the evolution of genetic robustness were suggested. Intrinsic scenarios propose that the complexity of living systems, nonlinearity of interactions of genes, or selection for specific traits (e.g. thermodynamic stability of proteins) may cause an increase in genetic robustness. Congruent scenarios state that genetic robustness is a co-product of robustness evolved to cope with environmental perturbations. According to adaptive scenarios, genetic robustness can be under direct natural selection. The possibility of the existence of such direct selection is somewhat controversial. Considerable work, including abundant mathematical models, has been done to predict conditions under which it could operate. It appears that organisms could evolve genetic robustness not only by acquiring specialized buffering machineries but also by taking favourable places in neutral networks, as in the well documented case of pre-miRNA sequences. Fourth, what is the influence of cryptic genetic variation on evolvability of organisms and populations. It seems that sometimes the robustness itself can foster evolvability. There are also speculations that evolutionary capacitors – switchable buffering mechanisms – enable the cryptic genetic variation to arise in evolutionary stable periods and release it in periods of environmental change. It is conceivable as well that genetic variation can be released in populations going through bottlenecks. Cryptic genetic variation can also foster adaptation without being released because different genetic backgrounds of the same phenotype can make a base for different future novelties.