The theory and practice of evolvability: Effects and mechanisms of mutation rate plasticity

进化性的理论与实践:突变率可塑性的影响和机制

基本信息

  • 批准号:
    BB/L009579/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2014 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Spontaneous mutation is a key engine of evolution and is central to organisms' 'evolvability'. Thus understanding mutation is important for understanding the fundamentals of the mechanisms that have generated all the diversity of life we see today. It is also important for combatting undesirable evolution, such as antibiotic resistance in microbes. Others have found that mutation rates can vary between organisms (genotypes) and locally within an organism's genome and that rates can evolve by natural selection. We have found that the chances that a single genotype mutates can also vary, mediated by cell-cell communication. Variation of this type is predicted by mathematical theory to increase organisms' evolvability, allowing them to adapt quicker. However, there are still important gaps in our understanding of this area. Firstly, we do not know whether the system we have identified actually has this predicted effect on evolution. Secondly we do not understand the mechanism - what signal mediates the cell-cell communication used here and how it acts. Finally, while the theory predicted the existence of variable mutation rates of the sort we observe and their beneficial effect on evolvability, it didn't predict the sort of cell-cell communication mechanism we have identified and cannot yet deal with such processes.In this project we shall address each of these issues, considering the rate of evolution of antibiotic resistance in the gut microbe Escherichia coli. Firstly we shall investigate the mechanism by which cell-cell signals affect mutation rate. We already know that this mechanism requires a particular gene (luxS) whose removal affects multiple signalling molecules. By experimentally manipulating genes and small molecules involved in the biochemical network in which luxS is involved and its downstream effects, we shall understand better how this signalling is achieved. Secondly we shall develop the theory and carry out computational experiments to include the sort of cell-cell communication mechanisms we observe and understand how exactly they may affect the course of evolution. This will also provide new hypotheses that may be tested in the lab. Finally we shall test whether and when this control of mutation rate actually is beneficial to the organism's evolution (as predicted by theory) by watching evolution happen in the laboratory with and without the ability to vary mutation rate in this way. Together, this work will link the theory and reality of evolvability, using very different scientific disciplines to determine when, how and why organisms vary their mutation rates.
自发突变是进化的关键引擎,对生物的“可发展性”至关重要。因此,理解突变对于理解已经产生了我们今天看到的所有生命多样性的机制的基本原理很重要。这对于打击不良进化(例如微生物中的抗生素耐药性)也很重要。其他人发现,突变速率在生物体(基因型)之间和局部基因组中的局部可能会有所不同,并且这种速率可以通过自然选择来发展。我们发现,单个基因型突变也可以通过细胞 - 细胞通信介导的机会变化。这种类型的变化是通过数学理论预测的,可以提高生物体的发展性,从而使它们更快地适应。但是,我们对这一领域的理解仍然存在重要差距。首先,我们不知道我们已经确定的系统是否实际上对进化产生了预测的影响。其次,我们不了解机制 - 什么信号介导了此处使用的细胞电池通信以及其作用。最后,尽管该理论预测了我们观察到的那种可变突变率的存在及其对可变性的有益影响,但它没有预测我们已经确定的细胞细胞通信机制的种类,并且无法处理此类过程。在此项目中,我们将考虑每个问题,考虑到ut脉冲微生物中的抗生素抗生素的进化速率。首先,我们将研究细胞 - 细胞信号影响突变率的机制。我们已经知道,这种机制需要一个特定的基因(LUX),其去除会影响多个信号分子。通过实验操纵涉及Luxs及其下游效应的生化网络中涉及的基因和小分子,我们将更好地理解如何实现此信号。其次,我们将发展理论并进行计算实验,以包括我们观察并了解它们如何准确影响进化过程的细胞细胞通信机制的种类。这还将提供可能在实验室中测试的新假设。最后,我们将测试对突变率的控制是否以及何时实际上对生物体的进化(根据理论预测)有益于观察进化发生在实验室中,并且没有能力以这种方式改变突变率。这项工作将使用非常不同的科学学科来确定生物体何时,如何以及为什么会改变其突变率。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Opposing effects of final population density and stress on Escherichia coli mutation rate.
  • DOI:
    10.1038/s41396-018-0237-3
  • 发表时间:
    2018-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Krašovec R;Richards H;Gifford DR;Belavkin RV;Channon A;Aston E;McBain AJ;Knight CG
  • 通讯作者:
    Knight CG
Opposing effects of population density and stress on Escherichia coli mutation rate
种群密度和应激对大肠杆菌突变率的相反影响
  • DOI:
    10.1101/256305
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Krašovec R
  • 通讯作者:
    Krašovec R
Monotonicity of fitness landscapes and mutation rate control.
  • DOI:
    10.1007/s00285-016-0995-3
  • 发表时间:
    2016-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Belavkin, Roman V.;Channon, Alastair;Aston, Elizabeth;Aston, John;Krasovec, Rok;Knight, Christopher G.
  • 通讯作者:
    Knight, Christopher G.
Where antibiotic resistance mutations meet quorum-sensing.
  • DOI:
    10.15698/mic2014.07.158
  • 发表时间:
    2014-06-25
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Krašovec R;Belavkin RV;Aston JA;Channon A;Aston E;Rash BM;Kadirvel M;Forbes S;Knight CG
  • 通讯作者:
    Knight CG
Mutation rate plasticity in rifampicin resistance depends on Escherichia coli cell-cell interactions.
  • DOI:
    10.1038/ncomms4742
  • 发表时间:
    2014-04-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Krasovec, Rok;Belavkin, Roman V.;Aston, John A. D.;Channon, Alastair;Aston, Elizabeth;Rash, Bharat M.;Kadirvel, Manikandan;Forbes, Sarah;Knight, Christopher G.
  • 通讯作者:
    Knight, Christopher G.
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  • 通讯作者:
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