Constraint shapes convergence in tetrodotoxin-resistant sodium channels of snakes

生物 收敛演化 钠通道 适应(眼睛) 遗传学 河豚毒素 自然选择 进化生物学 约束(计算机辅助设计) 选择(遗传算法) 基因 生物物理学 系统发育学 神经科学 数学 计算机科学 化学 有机化学 人工智能 几何学
作者
Chris R. Feldman,Edmund D. Brodie,Edmund D. Brodie,Michael E. Pfrender
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:109 (12): 4556-4561 被引量:169
标识
DOI:10.1073/pnas.1113468109
摘要

Natural selection often produces convergent changes in unrelated lineages, but the degree to which such adaptations occur via predictable genetic paths is unknown. If only a limited subset of possible mutations is fixed in independent lineages, then it is clear that constraint in the production or function of molecular variants is an important determinant of adaptation. We demonstrate remarkably constrained convergence during the evolution of resistance to the lethal poison, tetrodotoxin, in six snake species representing three distinct lineages from around the globe. Resistance-conferring amino acid substitutions in a voltage-gated sodium channel, Na v 1.4, are clustered in only two regions of the protein, and a majority of the replacements are confined to the same three positions. The observed changes represent only a small fraction of the experimentally validated mutations known to increase Na v 1.4 resistance to tetrodotoxin. These results suggest that constraints resulting from functional tradeoffs between ion channel function and toxin resistance led to predictable patterns of evolutionary convergence at the molecular level. Our data are consistent with theoretical predictions and recent microcosm work that suggest a predictable path is followed during an adaptive walk along a mutational landscape, and that natural selection may be frequently constrained to produce similar genetic outcomes even when operating on independent lineages.

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