Recommendation
AbstractClonal populations of cells continuously evolve new genetic diversity, but it takes a significant amount of time for the progeny of a single cell with a new beneficial mutation to outstrip both its ancestor and competitors to fully dominate a population. If these driver mutations can be discovered earlier—while they are still extremely rare—and profiled in large numbers, it may be possible to anticipate the future evolution of similar cell populations. For example, one could diagnose the likely course of incipient diseases, such as cancer and bacterial infections, and better judge which treatments will be effective, by tracking rare drug-resistant variants. To test this approach, we replayed the first 500 generations of a >70,000-generationEscherichia coliexperiment and examined the trajectories of new mutations in eight genes known to be under positive selection in this environment in six populations. By employing a deep sequencing procedure using unique molecular identifiers and target enrichment we were able to track 301 beneficial mutations at frequencies as low as 0.01% and infer the fitness effects of 240 of these. Distinct molecular signatures of selection on protein structure and function were evident for the three genes in which beneficial mutations were most common (nadR, pykF,andtopA). We detected mutations hundreds of generations before they became dominant and tracked beneficial alleles in genes that were not mutated in the long-term experiment until thousands of generations had passed. This type of targeted adaptome sequencing approach could function as an early warning system to inform interventions that aim to prevent undesirable evolution.
الخلاصة: تتطور مجموعات الخلايا النسيلية بشكل مستمر إلى تنوع جيني جديد، ولكن الأمر يستغرق قدرًا كبيرًا من الوقت حتى تتمكن ذرية خلية واحدة ذات طفرة مفيدة جديدة من التفوق على كل من سلفها ومنافسيها للسيطرة بشكل كامل على السكان. إذا كان من الممكن اكتشاف هذه الطفرات المحركة في وقت مبكر - في حين أنها لا تزال نادرة للغاية - وتحديدها بأعداد كبيرة، فقد يكون من الممكن توقع التطور المستقبلي لمجموعات الخلايا المماثلة. على سبيل المثال، يستطيع المرء تشخيص المسار المحتمل للأمراض الأولية، مثل السرطان والالتهابات البكتيرية، والحكم بشكل أفضل على العلاجات التي قد تكون فعّالة، من خلال تتبع المتغيرات النادرة المقاومة للأدوية. ولاختبار هذا النهج، قمنا بإعادة تشغيل أول 500 جيل من تجربة الإشريكية القولونية التي يبلغ عددها أكثر من 70 ألف جيل، وفحصنا مسارات الطفرات الجديدة في ثمانية جينات معروفة بأنها تحت الانتقاء الإيجابي في هذه البيئة في ستة مجموعات سكانية. من خلال استخدام إجراء تسلسل عميق باستخدام معرفات جزيئية فريدة وإثراء الهدف، تمكنا من تتبع 301 طفرة مفيدة بترددات منخفضة تصل إلى 0.01% واستنتاج تأثيرات اللياقة البدنية لـ 240 منها. كانت التوقيعات الجزيئية المميزة للاختيار على بنية البروتين ووظيفته واضحة بالنسبة للجينات الثلاثة التي كانت الطفرات المفيدة فيها أكثر شيوعًا (nadR، وpykF، وtopA). لقد اكتشفنا الطفرات على مدى مئات الأجيال قبل أن تصبح مهيمنة، وتتبعنا الأليلات المفيدة في الجينات التي لم تتحور في التجربة طويلة الأمد إلا بعد مرور آلاف الأجيال. يمكن أن يعمل هذا النوع من نهج تسلسل التكيف المستهدف كنظام إنذار مبكر لإرشاد التدخلات التي تهدف إلى منع التطور غير المرغوب فيه.
ResumenLas poblaciones clonales de células desarrollan continuamente nueva diversidad genética, pero se necesita una cantidad significativa de tiempo para que la progenie de una sola célula con una nueva mutación beneficiosa supere tanto a su ancestro como a sus competidores para dominar completamente una población. Si estas mutaciones impulsoras pueden descubrirse antes (aunque todavía son extremadamente raras) y perfilarse en grandes cantidades, puede ser posible anticipar la evolución futura de poblaciones de células similares. Por ejemplo, se podría diagnosticar el curso probable de enfermedades incipientes, como el cáncer y las infecciones bacterianas, y juzgar mejor qué tratamientos serán eficaces, mediante el seguimiento de variantes raras resistentes a los medicamentos. Para probar este enfoque, repetimos las primeras 500 generaciones de un experimento de Escherichia coli de >70.000 generaciones y examinamos las trayectorias de nuevas mutaciones en ocho genes que se sabe que están bajo selección positiva en este entorno en seis poblaciones. Al emplear un procedimiento de secuenciación profunda que utiliza identificadores moleculares únicos y enriquecimiento de objetivos, pudimos rastrear 301 mutaciones beneficiosas en frecuencias tan bajas como 0,01% e inferir los efectos de aptitud de 240 de ellas. Fueron evidentes firmas moleculares distintas de selección en la estructura y función de las proteínas para los tres genes en los que las mutaciones beneficiosas eran más comunes (nadR, pykF y topA). Detectamos mutaciones cientos de generaciones antes de que se volvieran dominantes y rastreamos alelos beneficiosos en genes que no mutaron en el experimento a largo plazo hasta que pasaron miles de generaciones. Este tipo de enfoque de secuenciación de adaptomas dirigidos podría funcionar como un sistema de alerta temprana para informar intervenciones destinadas a prevenir una evolución indeseable.
RésuméLes populations cellulaires clonales évoluent continuellement vers une nouvelle diversité génétique, mais il faut beaucoup de temps pour que la descendance d'une seule cellule dotée d'une nouvelle mutation bénéfique devance son ancêtre et ses concurrents et domine pleinement une population. Si ces mutations motrices pouvaient être découvertes plus tôt – alors qu’elles sont encore extrêmement rares – et profilées en grand nombre, il serait peut-être possible d’anticiper l’évolution future de populations cellulaires similaires. Par exemple, on pourrait diagnostiquer l’évolution probable de maladies naissantes, telles que le cancer et les infections bactériennes, et mieux juger quels traitements seront efficaces, en suivant les variantes rares résistantes aux médicaments. Pour tester cette approche, nous avons rejoué les 500 premières générations d'une expérience d'Escherichia coli de plus de 70 000 générations et examiné les trajectoires de nouvelles mutations dans huit gènes connus pour être sous sélection positive dans cet environnement dans six populations. En employant une procédure de séquençage en profondeur utilisant des identifiants moléculaires uniques et un enrichissement de cibles, nous avons pu suivre 301 mutations bénéfiques à des fréquences aussi basses que 0,01 % et déduire les effets sur la condition physique de 240 d'entre elles. Des signatures moléculaires distinctes de sélection sur la structure et la fonction des protéines étaient évidentes pour les trois gènes dans lesquels les mutations bénéfiques étaient les plus courantes (nadR, pykF et topA). Nous avons détecté des mutations sur des centaines de générations avant qu'elles ne deviennent dominantes et suivi les allèles bénéfiques dans des gènes qui n'avaient pas été mutés au cours de l'expérience à long terme avant que des milliers de générations ne se soient écoulées. Ce type d'approche ciblée de séquençage adaptome pourrait fonctionner comme un système d'alerte précoce pour éclairer les interventions visant à prévenir une évolution indésirable.
सार कोशिकाओं की क्लोनल आबादी लगातार नई आनुवंशिक विविधता विकसित करती है, लेकिन किसी एकल कोशिका की संतान को नए लाभकारी उत्परिवर्तन के साथ अपने पूर्वजों और प्रतिस्पर्धियों दोनों को पछाड़कर आबादी पर पूरी तरह से हावी होने में काफी समय लगता है। यदि इन चालक उत्परिवर्तनों को पहले खोजा जा सकता है - जबकि वे अभी भी बेहद दुर्लभ हैं - और बड़ी संख्या में प्रोफाइल किए गए हैं, तो समान सेल आबादी के भविष्य के विकास की आशा करना संभव हो सकता है। उदाहरण के लिए, कोई कैंसर और जीवाणु संक्रमण जैसी प्रारंभिक बीमारियों के संभावित पाठ्यक्रम का निदान कर सकता है, और दुर्लभ दवा-प्रतिरोधी वेरिएंट को ट्रैक करके बेहतर निर्णय ले सकता है कि कौन से उपचार प्रभावी होंगे। इस दृष्टिकोण का परीक्षण करने के लिए, हमने >70,000-पीढ़ी के एस्चेरिचिया कोली प्रयोग की पहली 500 पीढ़ियों को दोहराया और छह आबादी में इस वातावरण में सकारात्मक चयन के तहत ज्ञात आठ जीनों में नए उत्परिवर्तन के प्रक्षेप पथ की जांच की। अद्वितीय आणविक पहचानकर्ताओं और लक्ष्य संवर्धन का उपयोग करके एक गहरी अनुक्रमण प्रक्रिया को नियोजित करके हम 0.01% से भी कम आवृत्तियों पर 301 लाभकारी उत्परिवर्तनों को ट्रैक करने में सक्षम थे और इनमें से 240 के फिटनेस प्रभावों का अनुमान लगा सकते थे। प्रोटीन संरचना और कार्य पर चयन के विशिष्ट आणविक हस्ताक्षर उन तीन जीनों के लिए स्पष्ट थे जिनमें लाभकारी उत्परिवर्तन सबसे आम थे (एनएडीआर, पीवाईकेएफ, और टॉपए)। हमने प्रमुख बनने से पहले सैकड़ों पीढ़ियों के उत्परिवर्तन का पता लगाया और उन जीनों में लाभकारी एलील्स को ट्रैक किया जो हजारों पीढ़ियों के बीतने तक दीर्घकालिक प्रयोग में उत्परिवर्तित नहीं हुए थे। इस प्रकार का लक्षित अनुकूलन अनुक्रमण दृष्टिकोण उन हस्तक्षेपों को सूचित करने के लिए एक प्रारंभिक चेतावनी प्रणाली के रूप में कार्य कर सकता है जिनका उद्देश्य अवांछनीय विकास को रोकना है।
要約細胞のクローン集団は継続的に新しい遺伝的多様性を進化させますが、新たな有益な変異を持つ単一細胞の子孫がその祖先と競合細胞の両方を上回り、集団を完全に支配するにはかなりの時間がかかります。これらのドライバー変異を、まだ非常にまれではあるものの、より早期に発見し、多数のプロファイリングを行うことができれば、同様の細胞集団の将来の進化を予測できる可能性があります。たとえば、まれな薬剤耐性変異体を追跡することで、癌や細菌感染症などの初期疾患の可能性のある経過を診断し、どの治療法が効果的であるかをより適切に判断できる可能性があります。このアプローチをテストするために、70,000 世代を超える大腸菌実験の最初の 500 世代を再実行し、6 つの集団におけるこの環境でポジティブセレクションを受けることが知られている 8 つの遺伝子における新しい変異の軌跡を調べました。独自の分子識別子とターゲット濃縮を使用したディープシーケンシング手順を採用することで、301 の有益な変異を 0.01% という低い頻度で追跡し、そのうち 240 の適応度効果を推測することができました。有益な変異が最も一般的である 3 つの遺伝子 (nadR、pykF、topA) では、タンパク質の構造と機能に対する選択の明確な分子サインが明らかでした。私たちは、変異が優勢になる数百世代前に変異を検出し、数千世代が経過するまでの長期実験で変異しなかった遺伝子内の有益な対立遺伝子を追跡しました。このタイプのターゲットを絞ったアダプトームシーケンスアプローチは、望ましくない進化を防ぐことを目的とした介入を知らせる早期警告システムとして機能する可能性があります。
ResumoAs populações clonais de células desenvolvem continuamente uma nova diversidade genética, mas leva um tempo significativo para que a progênie de uma única célula com uma nova mutação benéfica supere seu ancestral e seus concorrentes e domine totalmente uma população. Se estas mutações condutoras puderem ser descobertas mais cedo – embora ainda sejam extremamente raras – e traçadas em grande número, poderá ser possível antecipar a evolução futura de populações de células semelhantes. Por exemplo, seria possível diagnosticar a evolução provável de doenças incipientes, como o cancro e as infecções bacterianas, e avaliar melhor quais os tratamentos que serão eficazes, rastreando variantes raras resistentes aos medicamentos. Para testar esta abordagem, repetimos as primeiras 500 gerações de um experimento de Escherichia coli com mais de 70.000 gerações e examinamos as trajetórias de novas mutações em oito genes conhecidos por estarem sob seleção positiva neste ambiente em seis populações. Ao empregar um procedimento de sequenciamento profundo usando identificadores moleculares únicos e enriquecimento de alvos, conseguimos rastrear 301 mutações benéficas em frequências tão baixas quanto 0,01% e inferir os efeitos de aptidão de 240 delas. Assinaturas moleculares distintas de seleção na estrutura e função da proteína foram evidentes para os três genes nos quais as mutações benéficas eram mais comuns (nadR, pykF e topA). Detectamos mutações centenas de gerações antes de se tornarem dominantes e rastreamos alelos benéficos em genes que não sofreram mutação no experimento de longo prazo até que milhares de gerações se passassem. Este tipo de abordagem de sequenciamento adaptômico direcionado poderia funcionar como um sistema de alerta precoce para informar intervenções que visam prevenir a evolução indesejável.
АннотацияКлональные популяции клеток постоянно развивают новое генетическое разнообразие, но потомству одной клетки с новой полезной мутацией требуется значительное количество времени, чтобы опередить как своего предка, так и конкурентов и полностью доминировать в популяции. Если эти драйверные мутации удастся обнаружить раньше (хотя они все еще чрезвычайно редки) и профилировать их в больших количествах, возможно, можно будет предсказать будущую эволюцию подобных популяций клеток. Например, можно диагностировать вероятное течение зарождающихся заболеваний, таких как рак и бактериальные инфекции, и лучше судить, какие методы лечения будут эффективными, отслеживая редкие устойчивые к лекарствам варианты. Чтобы проверить этот подход, мы воспроизвели первые 500 поколений эксперимента с Escherichia coli с участием более 70 000 поколений и изучили траектории новых мутаций в восьми генах, которые, как известно, находятся под положительным отбором в этой среде в шести популяциях. Применяя процедуру глубокого секвенирования с использованием уникальных молекулярных идентификаторов и целевого обогащения, мы смогли отследить 301 полезную мутацию с частотой всего 0,01% и сделать вывод о фитнес-эффектах 240 из них. Отчетливые молекулярные признаки отбора по структуре и функции белка были очевидны для трех генов, в которых полезные мутации были наиболее распространены (nadR, pykF и topA). Мы обнаружили мутации за сотни поколений до того, как они стали доминантными, и отследили полезные аллели в генах, которые не мутировали в долгосрочном эксперименте, пока не прошли тысячи поколений. Этот тип целевого подхода к секвенированию адаптома может функционировать как система раннего предупреждения для информирования о вмешательствах, направленных на предотвращение нежелательной эволюции.
Abstract 细胞的克隆群体不断进化出新的遗传多样性，但是具有新的有益突变的单个细胞的后代需要花费大量时间才能超越其祖先和竞争对手，从而完全主宰群体。如果这些驱动突变能够更早地被发现（尽管它们仍然极其罕见）并进行大量分析，那么就有可能预测类似细胞群的未来进化。例如，人们可以通过追踪罕见的耐药变异来诊断癌症和细菌感染等初期疾病的可能病程，并更好地判断哪些治疗方法有效。为了测试这种方法，我们重演了超过 70,000 代大肠杆菌实验的前 500 代，并检查了 6 个群体中在该环境中已知受到正向选择的 8 个基因的新突变轨迹。通过使用独特的分子标识符和目标富集的深度测序程序，我们能够以低至 0.01% 的频率追踪 301 个有益突变，并推断出其中 240 个突变的适应度效应。对于有益突变最常见的三个基因（nadR、pykF 和 topA），蛋白质结构和功能选择的独特分子特征是明显的。我们在数百代之前就检测到了突变，并追踪了基因中的有益等位基因，这些基因在长期实验中直到数千代过去才发生突变。这种类型的靶向适应体测序方法可以作为早期预警系统，为旨在防止不良进化的干预措施提供信息。
zlkje lkj mlkm mzek rmlk mlkzer
kjnkjkl mmmm mlk mlkj mlkj mlkj mljk mlk mlj mlk
mlùdmlfk ùfmlk ùmlk ùmlk ùmlk ù eùmlk mùlkef klmùezù kmezlùmlazekr ùmlkzer
