Лекция 12

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЛОГЕНИЯ.

В связи с появлением большого количества экспериментальных данных и теоретических методов, теория эволюции ускоренно развивается. В её поле зрения попали кодирующие молекулы - ДНК, РНК, белки – их изменения могли привести к последовательным изменениям наследственных признаков. В 1953г. была расшифрована аминокислотная последовательность молекулы инсулина, 1967г. – определена структура тРНК. 1977г. – определена нуклеотидная последовательность фага фх174. Ф. Сэнгер, предложивший методы определения аминокислотных последовательностей белков дважды был удостоен Нобелевской премии. После 1977г. началось массовое секвенирование ДНК. Расшифровка нуклеотидных последовательностей генов (ДНК), РНК и аминокислотных последовательностей белков позволяет взглянуть на процесс эволюции с молекулярного уровня организации жизни. Если в процессе эволюции 1 аллель вытесняет другой, то кажется, что он исчез. Многие же мутации возникают при замене 1-го или нескольких нуклеотидов. Замена аллеля может сводиться к изменению 1-го единственного нуклеотида, а большая часть гена остаётся неизменной. Чем раньше дивергировали 2 гена, тем больше различий должно накопиться. Сравнение последовательности ДНК у одного и того же гена у разных таксонов позволяет строить филогенетические древа, которые позволяют оценивать датировку эволюционных событий.

Подходы для осуществления филогенетических построений. Скорость накопления мутаций должна быть достаточно постоянной, чтобы использовать её для датировки событий эволюции (своего рода «молекулярные часы». Концепция молекулярных часов основана на теории нейтральности Кимуро: на молекулярном уровне мутации замены аминокислот или нуклеотидов преимущественно нейтральны или слабо вредны, поскольку существенные вредные мутации приводят к элиминации особей с такими изменениями. Экспериментальные данные основаны на скорости появления аминокислотных замен (происходят в наименее важных частях белков, чем в активных центрах макромолекул).

5 принципов теории нейтральности:

1) Скорость эволюции любого белка, выраженная через число аминокислотных замен на сайт в год приблизительно постоянна и одинакова в разных филогенетических линиях, если функция и третичная структура белка остаются в неизменном виде.

2) Функционально менее важные молекулы и их части эволюционируют (накапливают эволюционные замены) быстрее, чем более важные.

3) Мутационные замены, приводящие к меньшим нарушениям структуры и функции молекул (консервативные замены) в ходе эволюции происходят чаще, чем те, которые вызывают более существенные нарушения структуры и функций.

4) Появлению нового в функциональном отношении гена всегда должна предшествовать дубликация этого гена.

5) Селективная элиминация вредных мутаций и случайная фиксация селективно-нейтральных, или слабо вредных мутаций происходит в ходе эволюции чаще чем положительный дарвиновский отбор благоприятных мутаций.

Кимуро использовавший концепцию дупликации генов (4) базировался на теории дупликации генов Оно: дупликация генов и генных участков создает дополнительные избыточные ДНК-последовательности, которые изменяются далее за счет случайных мутаций, предоставляя сырой материал из которых могут возникнуть новые биологически значимые гены.

Качественные особенности метода «молекулярных часов»: для оценки скорости молекулярной эволюции надо подсчитать число нуклеотидных различий N 1, 2

между последовательностями маркерного гена у двух таксонов S 1, S 2 и иметь палеонтологические или биогеографические оценки времени T 1, 2 дивергенции этих таксонов. Скорость эволюции маркерного гена измеряют количеством замен в год, нормированным на длину последовательности: V = N_{1, 2} / 2T_{1, 2} * L

Зная скорость эволюции маркерного гена, можно оценить время дивергенции любых таксонов S 3, S 4, для которых известны последовательности ДНК этого гена: Т 3, 4 = N 3, 4/2 V. Эти оценки справедливы только при равномерности скоростей фиксации нуклеотидных замен в ходе молекулярной эволюции данного гена (концепция молекулярных часов).

Время расхождения последовательностей зависит от выборки маркерных генов и использования различных методов для вычисления. Главный критерий достоверности: устойчивость и повторяемость.