Published April 18, 2024
| Version v1
Publication
Open
A shift from pleiotropic to modular adaptation revealed by a high-resolution two-step adaptive walk
- 1. California University of Pennsylvania
- 2. Universidad Católica de Santa Fe
- 3. Stanford University
Description
ABSTRACT Evolution by natural selection is expected to be a slow and gradual process. In particular, the mutations that drive evolution are predicted to be small and modular, incrementally improving a small number of traits. However, adaptive mutations identified early in microbial evolution experiments, cancer, and other systems often provide substantial fitness gains and pleiotropically improve multiple traits at once. We asked whether such pleiotropically adaptive mutations are common throughout adaptation or are instead a rare feature of early steps in evolution that tend to target key signaling pathways. To do so, we conducted barcoded second-step evolution experiments initiated from five first-step mutations identified from a prior yeast evolution experiment. We then isolated hundreds of second-step mutations from these evolution experiments, measured their fitness and performance in several growth phases, and conducted whole-genome sequencing of the second-step clones. Here, we found that while the vast majority of mutants isolated from the first-step of evolution in this condition show patterns of pleiotropic adaptation - improving both performance in fermentation and respiration growth phases - second-step mutations show a shift towards modular adaptation, mostly improving respiration performance and only rarely improving fermentation performance. We also identified a shift in the molecular basis of adaptation from genes in cellular signaling pathways towards genes involved in respiration and mitochondrial function. Our results suggest that the genes in cellular signaling pathways are particularly capable of providing large, adaptively pleiotropic benefits to the organism due to their ability to coherently affect many phenotypes at once. As such, these genes may serve as the source of pleiotropic adaptation in the early stages of evolution, and once these become exhausted, organisms then adapt more gradually, acquiring smaller, more modular mutations.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
من المتوقع أن يكون التطور المجرد عن طريق الانتقاء الطبيعي عملية بطيئة وتدريجية. على وجه الخصوص، من المتوقع أن تكون الطفرات التي تدفع التطور صغيرة ومعيارية، مما يحسن تدريجياً عددًا صغيرًا من السمات. ومع ذلك، فإن الطفرات التكيفية التي تم تحديدها مبكرًا في تجارب التطور الميكروبية، والسرطان، والأنظمة الأخرى غالبًا ما توفر مكاسب كبيرة في اللياقة البدنية وتحسن سمات متعددة في وقت واحد. سألنا عما إذا كانت هذه الطفرات التكيفية متعددة الاتجاهات شائعة خلال التكيف أم أنها بدلاً من ذلك سمة نادرة للخطوات المبكرة في التطور التي تميل إلى استهداف مسارات الإشارات الرئيسية. للقيام بذلك، أجرينا تجارب تطور الخطوة الثانية المشفرة التي بدأت من خمس طفرات في الخطوة الأولى تم تحديدها من تجربة تطور الخميرة السابقة. ثم عزلنا المئات من طفرات الخطوة الثانية من تجارب التطور هذه، وقاسنا لياقتها وأدائها في عدة مراحل نمو، وأجرينا تسلسل الجينوم الكامل لمستنسخات الخطوة الثانية. هنا، وجدنا أنه في حين أن الغالبية العظمى من الطفرات المعزولة عن الخطوة الأولى من التطور في هذه الحالة تظهر أنماطًا من التكيف متعدد الاتجاهات - تحسين كل من الأداء في مراحل التخمير ونمو التنفس - تظهر طفرات الخطوة الثانية تحولًا نحو التكيف المعياري، مما يؤدي في الغالب إلى تحسين أداء التنفس ونادراً ما يحسن أداء التخمير. حددنا أيضًا تحولًا في الأساس الجزيئي للتكيف من الجينات في مسارات الإشارات الخلوية نحو الجينات المشاركة في التنفس ووظيفة الميتوكوندريا. تشير نتائجنا إلى أن الجينات في مسارات الإشارات الخلوية قادرة بشكل خاص على توفير فوائد كبيرة متعددة الاتجاهات على نحو تكيفي للكائن الحي بسبب قدرتها على التأثير بشكل متماسك على العديد من الأنماط الظاهرية في وقت واحد. على هذا النحو، قد تعمل هذه الجينات كمصدر للتكيف متعدد الاتجاهات في المراحل المبكرة من التطور، وبمجرد استنفادها، تتكيف الكائنات الحية بشكل تدريجي أكثر، وتكتسب طفرات أصغر وأكثر وحدات.Translated Description (French)
RÉSUMÉ L'évolution par sélection naturelle devrait être un processus lent et progressif. En particulier, les mutations qui entraînent l'évolution devraient être petites et modulaires, améliorant progressivement un petit nombre de traits. Cependant, les mutations adaptatives identifiées tôt dans les expériences d'évolution microbienne, le cancer et d'autres systèmes fournissent souvent des gains de forme physique substantiels et améliorent pléiotropiquement plusieurs traits à la fois. Nous avons demandé si de telles mutations adaptatives pléiotropiques sont courantes tout au long de l'adaptation ou sont plutôt une caractéristique rare des premières étapes de l'évolution qui ont tendance à cibler les voies de signalisation clés. Pour ce faire, nous avons mené des expériences d'évolution en deuxième étape à code-barres initiées à partir de cinq mutations de première étape identifiées à partir d'une expérience d'évolution de levure antérieure. Nous avons ensuite isolé des centaines de mutations de deuxième étape à partir de ces expériences d'évolution, mesuré leur forme physique et leurs performances en plusieurs phases de croissance, et effectué le séquençage du génome entier des clones de deuxième étape. Ici, nous avons constaté que si la grande majorité des mutants isolés de la première étape de l'évolution dans cette condition montrent des modèles d'adaptation pléiotropique - améliorant à la fois les performances dans les phases de fermentation et de croissance respiratoire - les mutations de la deuxième étape montrent un changement vers une adaptation modulaire, améliorant principalement les performances respiratoires et n'améliorant que rarement les performances de fermentation. Nous avons également identifié un changement dans la base moléculaire de l'adaptation des gènes dans les voies de signalisation cellulaire vers les gènes impliqués dans la respiration et la fonction mitochondriale. Nos résultats suggèrent que les gènes dans les voies de signalisation cellulaire sont particulièrement capables de fournir de grands avantages pléiotropes adaptatifs à l'organisme en raison de leur capacité à affecter de manière cohérente de nombreux phénotypes à la fois. En tant que tels, ces gènes peuvent servir de source d'adaptation pléiotrope dans les premiers stades de l'évolution, et une fois ceux-ci épuisés, les organismes s'adaptent ensuite plus progressivement, acquérant des mutations plus petites et plus modulaires.Translated Description (Spanish)
RESUMEN Se espera que la evolución por selección natural sea un proceso lento y gradual. En particular, se predice que las mutaciones que impulsan la evolución son pequeñas y modulares, mejorando gradualmente un pequeño número de rasgos. Sin embargo, las mutaciones adaptativas identificadas al principio de los experimentos de evolución microbiana, el cáncer y otros sistemas a menudo proporcionan ganancias sustanciales de aptitud física y mejoran pleiotrópicamente múltiples rasgos a la vez. Nos preguntamos si tales mutaciones pleiotrópicamente adaptativas son comunes a lo largo de la adaptación o, en cambio, son una característica rara de los primeros pasos en la evolución que tienden a dirigirse a las vías de señalización clave. Para ello, realizamos experimentos de evolución de segundo paso con código de barras iniciados a partir de cinco mutaciones de primer paso identificadas a partir de un experimento previo de evolución de levaduras. A continuación, aislamos cientos de mutaciones de segundo paso de estos experimentos de evolución, medimos su aptitud y rendimiento en varias fases de crecimiento y llevamos a cabo la secuenciación del genoma completo de los clones de segundo paso. Aquí, encontramos que si bien la gran mayoría de los mutantes aislados del primer paso de la evolución en esta condición muestran patrones de adaptación pleiotrópica, mejorando tanto el rendimiento en las fases de fermentación como de crecimiento de la respiración, las mutaciones del segundo paso muestran un cambio hacia la adaptación modular, principalmente mejorando el rendimiento de la respiración y solo en raras ocasiones mejorando el rendimiento de la fermentación. También identificamos un cambio en la base molecular de la adaptación de los genes en las vías de señalización celular hacia los genes implicados en la respiración y la función mitocondrial. Nuestros resultados sugieren que los genes en las vías de señalización celular son particularmente capaces de proporcionar grandes beneficios pleiotrópicos adaptativos al organismo debido a su capacidad para afectar coherentemente a muchos fenotipos a la vez. Como tales, estos genes pueden servir como fuente de adaptación pleiotrópica en las primeras etapas de la evolución, y una vez que se agotan, los organismos se adaptan más gradualmente, adquiriendo mutaciones más pequeñas y modulares.Files
2024.04.17.589938.full.pdf.pdf
Files
(16.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:ab1cdb0edce230326ab26622a4d2c31b
|
16.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحول من التكيف متعدد الاتجاهات إلى التكيف المعياري الذي كشف عنه المشي التكيفي عالي الدقة على خطوتين
- Translated title (French)
- Un passage de l'adaptation pléiotrope à l'adaptation modulaire révélé par une marche adaptative en deux étapes à haute résolution
- Translated title (Spanish)
- Un cambio de adaptación pleiotrópica a modular revelado por una caminata adaptativa de dos pasos de alta resolución
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4394933173
- DOI
- 10.1101/2024.04.17.589938
References
- https://openalex.org/W1584560293
- https://openalex.org/W1644749979
- https://openalex.org/W1674435604
- https://openalex.org/W1972625588
- https://openalex.org/W1985561503
- https://openalex.org/W2016429873
- https://openalex.org/W2016687536
- https://openalex.org/W2018365364
- https://openalex.org/W2022730625
- https://openalex.org/W2036669328
- https://openalex.org/W2039227019
- https://openalex.org/W2052322970
- https://openalex.org/W2064152536
- https://openalex.org/W2065086182
- https://openalex.org/W2077723503
- https://openalex.org/W2090095688
- https://openalex.org/W2097042808
- https://openalex.org/W2103441770
- https://openalex.org/W2104724247
- https://openalex.org/W2106578986
- https://openalex.org/W2108726522
- https://openalex.org/W2111967267
- https://openalex.org/W2115555625
- https://openalex.org/W2117692326
- https://openalex.org/W2119090089
- https://openalex.org/W2120289437
- https://openalex.org/W2124859343
- https://openalex.org/W2128525259
- https://openalex.org/W2141475940
- https://openalex.org/W2150131459
- https://openalex.org/W2150563397
- https://openalex.org/W2158735148
- https://openalex.org/W2165011536
- https://openalex.org/W2165174478
- https://openalex.org/W2165273408
- https://openalex.org/W2169423549
- https://openalex.org/W2170272380
- https://openalex.org/W2170551349
- https://openalex.org/W2177376060
- https://openalex.org/W2212431290
- https://openalex.org/W2341461868
- https://openalex.org/W2518349977
- https://openalex.org/W2561067972
- https://openalex.org/W2567092764
- https://openalex.org/W2593832103
- https://openalex.org/W2773564951
- https://openalex.org/W2787639678
- https://openalex.org/W2790200459
- https://openalex.org/W2796153225
- https://openalex.org/W2796408191
- https://openalex.org/W2803643362
- https://openalex.org/W2894573839
- https://openalex.org/W2952277428
- https://openalex.org/W2979866905
- https://openalex.org/W3106874121
- https://openalex.org/W3124204293
- https://openalex.org/W3171510304
- https://openalex.org/W3198851540
- https://openalex.org/W3204957930
- https://openalex.org/W4206662285
- https://openalex.org/W4230210001
- https://openalex.org/W4236236547
- https://openalex.org/W4249639222
- https://openalex.org/W4280570469
- https://openalex.org/W4306316504
- https://openalex.org/W4323295157
- https://openalex.org/W4372341992
- https://openalex.org/W4378472666
- https://openalex.org/W4388922144
- https://openalex.org/W581699499