Оценка достоверности точек ветвления (узлов).

Полученные многочисленные данные имеют 1)фундаментальное и 2) прикладное значение. Кодирующие макромолекулы эволюционируют с разными скоростями.

Эти молекулы можно использовать для глобальных филогенетических построений. Такими молекулами являются гены рРНК и белков гистонов. Менее консервативными являются гены и белки, которые встречаются у многих групп организмов (гены кодирующие глобины).

Наиболее изменчивы гены и белки кодирующие РНК-содержащие вирусы. Эти молекулы быстро меняются и позволяют вирусу бороться с иммунной системой хозяина.

Древо Вууза (Woese) 1990г. – древо, построенное на основании 16S-18S рРНК у бактерий. Имеет 3 крупные ветви (надцарства): эубактерии, архебактерии, эукариоты. До этой работы считалось, что бактерии составляют единое надцарство Prokariota, отделенное от второго надцарства – Eukariota – существенной дистанцией. В древе Вууза все три глобальные ветви примерно равно удалены друг от друга. Поэтому архей следует считать самостоятельным

надцарством. Таким образо Вууз ввел три надцарства, или домена:

Bacteria, Archaea, Eucaryota.

Древо построено на основании сиквенс-анализа генов 16S и 18S рРНК, кодируемых не только ядерными генами, но и генами клеточных органелл – митохондрий и хлоропластов. Легко заметить, что ядерная фракция рРНК кукурузы попадает в ветвь эукариот, а фракции из митохондрий и хлоропластов кукурузы – в ветвь эубактерий. При сравнении полных геномов арабидопсиса, дрожжей и бактерий, включая цианобактерию Synechocystis для генов арабидопсиса и его гомологов в других организмах, выявляли случаи, когда ген растения находился на одной ветви с гомологичным геном цианобактерии. Из 3961 рассмотренного гена арабидопсиса статистическим критериям близости на филогенетическом древе цианобактерий отвечало от 1, 6 до 9, 2 % генов.

Учитывая, что в ядерном геноме арабидопсиса 25 000 генов, верхняя и

нижняя оценки для горизонтально привнесенных от цианобактерии генов составляют 400–2200 генов. Гибридизация in situ показывает, что у цветковых растений перенос генов из митохондрий в ядро был нередок и происходил в разных линиях многократно и независимо. Этот факт считается самым веским аргументом в пользу симбиотической гипотезы эволюционного возникновения эукариот, согласно которой митохондрии происходят от симбиотических предковых пурпурных бактерий, а хлоропласты – от цианобактерий (синезеленых водорослей), а вовсе не от ядерных структур эукариотических клеток.

Древо Дулитла: археи, эубактерии и эукариоты переплетены между собой. Уточнил древо Вууза.

Древо эволюции глобинов и их генов. В древе глобинов сравнивают гены кодирующие глобины разных таксономических групп. Было установлено, что средняя скорость эволюции по всему белку была не постоянна и была максимальна примерно 400 - 500 млн. лет назад, в эпоху выхода позвоночных на сушу. Эта особенность выявилась еще ярче для тех участков глобинов, которые отвечают за образование их четвертичной структуры.

У примитивных животных гемо- и миоглобины представляют собой протомеры (отдельные субъединицы белка). Круглоротые рыбы (миноги) имеют димерный миоглобин, а большинство других позвоночных – тетрамерные агрегаты, состоящие из 2 α и 2 β -субъединиц. Субъединицы соединяются с помощью центров контакта, которые обозначаются α 1–β 1, α 1–β 2 и т. д. Для современных гемоглобинов известны аминокислоты, входящие в центры контакта. Поэтому можно подсчитать скорости эволюции непосредственно для центров контакта. Максимум скорости четко выявляется для центра контакта α 1–β 2 и регуляторного центра связывания дифосфоглицерата (ДФГ). Таким образом, при выходе позвоночных животных на сушу их гемоглобин приобрел те-трамерную структуру, когда разные субъединицы (α и β) связаны между собой центрами контакта α 1–β 2 и регуляторным центром ДФГ. Прежде всего в эту эпоху ген общего предка гемоглобинов был дуплицирован, а его копии в ходе дивергенции дали начало двум родственным семействам: α и β. Именно в ту эпоху можно видеть максимальную скорость эволюции центров их контакта и регуляции, а затем в течение сотен миллионов лет скорость резко падала, часто до нуля, когда возникшие центры были просто неизменны. Можно наблюдать события эпохи формирования новых функциональных структур молекул гемоглобина, которые в дальнейшем сохраняются у всех наземных форм позвоночных. Следует учесть, что выход позвоночных на сушу и переход к дыханию свободным кислородом воздуха сопровождались резкой перестройкой всей системы дыхания, в том числе и структуры гемоглобинов. Ускорение эволюции в эту эпоху означает, что указанные приобретения были высоко адаптивными, т. е. обеспечивали существенное преимущество их обладателям.

Пример древа наиболее быстрой молекулярной эволюции - древо генов кодирующих гемагглютинины H3 вируса гриппа. Это белок вирусного капсида имеет АГ-нные детерминанты, которые узнаются специфическими антителами хозяина. В результате иммунное сопротивление хозяина препятствует размножению вируса. Вирус гриппа имеет РНК-геном, в котором мутации происходят с высокой частотой – примерно 10³–10⁴ на позицию, за репликацию. В XX в. были изучены несколько локальных эпидемий и пандемий гриппа. Одной из первых исследованных была пандемия испанки 1918–1919 гг. В дальнейшем были зафиксированы пандемии гонконгского гриппа и др. В большинстве случаев образцы эпидемических штаммов вируса гриппа были собраны и сохранены в коллекциях. После 1978 г. РНК этих эпидемических штаммов были секвенированы, а позже построены филогенетические древа.

Анализ древа гемагглютинины H3 вируса гриппа показал, что все эпидемические варианты оказались на нижних тупиковых ветвях (так называемые висячие вершины). Это значит, что эпидемические штаммы, как правило, не бывают прямыми потомками других эпидемических штаммов. Иначе говоря, неэпидемический вирус, видимо, циркулирует в каком-то «резервуаре» (локальной популяции человека, где к вирусу есть устойчивый иммунитет, или в популяции животных, которые могут быть промежуточными носителями вируса). Эпидемии возникают тогда, когда появляется новый вариант вируса, против которого нет готовых антител, т. е. готового иммунитета хозяина. Этот вариант как бы «выплескивается» в человеческую популяцию и быстро в ней распространяется, пока не будет выработан адекватный иммунный ответ. Тогда эпидемия затухает. Следующая эпидемия возникает путем независимого появления нового варианта вируса гриппа, не связанного, как правило, с предыдущей эпидемией.

Поскольку все эпидемии были датированы, оказалось возможным определить скорости эволюции. В эпидемических ветвях они оказались в 3–5 раз выше, чем в неэпидемических, причем особенно большое ускорение (в 36 раз) было выявлено именно в позициях, кодирующих антигенные детерминанты белка. Иммунное сопротивление хозяина размножению вируса является главным селективным фактором действующим на вирус. Поэтому появление эпидемического штамма, не встречающего иммунного сопротивления хозяина, сопровождается ускорением эволюции. Это размножение высокоадаптивно для вируса и неадаптивно для хозяина-человека. Напротив, после выработки иммунного ответа спокойное размножение вируса становится для него и хозяина нейтральным – в ожидании новых адаптивных мутаций и рекомбинаций. В целом можно говорить о коэволюции вируса и иммунного ответа системы хозяина. Вирус стремится как бы мутационно «выскользнуть» из-под готового иммунного ответа хозяина, а хозяин стремится «догнать» новые варианты вируса путем выработки нового специфичного иммунного ответа.