Кіріспе
Молекулалық филогенетика (/m//ə/'/l//ɛ//k//j////l//ər// /,/f//aɪ//l//oʊ//dʒ//ə/'/n//ɛ//t//ɪ//k//s//, //m//ɒ// //, //m//oʊ// /) – организмдердің эволюциялық байланыстарын анықтау үшін, негізінен ДНК тізбектеріндегі генетикалық, мұрагерлік молекулалық айырмашылықтарды талдайтын филогенетиканың бір саласы. Осы талдаулардың нәтижесінде түрлер арасындағы әртүрлілікке қалай қол жеткізілгенін анықтауға болады. Молекулалық филогенетикалық талдаудың нәтижесі филогенетикалық ағашта бейнеленеді. Молекулалық филогенетика – молекулалық систематиканың бір бөлігі, бұл кең ұғым, сонымен қатар таксономия және биогеографияда молекулалық деректерді қолдануды қамтиды. Молекулалық филогенетика мен молекулалық эволюция байланысты. Молекулалық эволюция – өмір ағашының (эволюцияның) түрлі тармақтарындағы молекулалық деңгейде (гендер, ақуыздар және т.б.) болатын таңдамалы өзгерістердің (мутациялардың) процесі. Молекулалық филогенетика молекулалық эволюцияның нәтижесінде туындаған эволюциялық байланыстарды болжайды және филогенетикалық ағаш құруға әкеледі.
Molecular phylogenetics (/m//ə/'/l//ɛ//k//j//ᵿ//l//ər// /,/f//aɪ//l//oʊ//dʒ//ə/'/n//ɛ//t//ɪ//k//s//, //m//ɒ// //, //m//oʊ// /) is the branch of phylogeny that analyzes genetic, hereditary molecular differences, predominantly in DNA sequences, to gain information on an organism's evolutionary relationships. From these analyses, it is possible to determine the processes by which diversity among species has been achieved. The result of a molecular phylogenetic analysis is expressed in a phylogenetic tree. Molecular phylogenetics is one aspect of molecular systematics, a broader term that also includes the use of molecular data in taxonomy and biogeography. Molecular phylogenetics and molecular evolution correlate. Molecular evolution is the process of selective changes (mutations) at a molecular level (genes, proteins, etc.) throughout various branches in the tree of life (evolution). Molecular phylogenetics makes inferences of the evolutionary relationships that arise due to molecular evolution and results in the construction of a phylogenetic tree.
Тарих
Молекулалық систематиканың теориялық негіздері 1960 жылдары Эмиль Цукеркандл, Эммануэль Марголиаш, Линус Полинг және Уолтер М. Фич еңбектерінде қаланды. Молекулалық систематиканы қолдануды Чарльз Г. Сибли (құстар), Герберт С. Дессауер (герпетология) және Моррис Гудман (приматтар) бастады, одан кейін Аллан С. Уилсон, Роберт К. Селандер және Джон С. Авайс (әртүрлі топтарды зерттеген) жұмыстарын жалғастырды. Ақуыз электрофорезімен жұмыс 1956 жыл шамасында басталды. Нәтижелер сандық болмағанмен және бастапқыда морфологиялық жіктелуді жақсартпаса да, құстардың жіктелуі сияқты, ұзақ жылдар бойы қалыптасқан көзқарастарды маңызды өзгерту қажеттігі туралы қызықты меңзеулер берді. 1974–1986 жылдар аралығында ДНК-ДНК гибридизациясы генетикалық айырмашылықты өлшеу үшін басым техника болып табылды.
Теориялық негіздер
Молекулалық жүйелілік бойынша алғашқы талпыныстар да химиотаксиномия деп аталды және хроматография сияқты әдістерді қолдана отырып бөлінген және сипатталған ақуыздар, ферменттер, көмірсулар және басқа молекулаларды пайдаланды. Соңғы уақытта олар негізінен ДНК тізбектеумен алмастырылды, ол әртүрлі әдістерді қолдана отырып алынған ДНК немесе РНК сегменттеріндегі нуклеотидтердің немесе негіздердің нақты тізбектерін анықтайды. Жалпы алғанда, олар эволюциялық зерттеулер үшін артық деп саналады, себебі эволюцияның әрекеттері ақыр соңында генетикалық тізбектерде көрінеді. Қазіргі уақытта организмнің толық ДНК-сын (оның геномын) тізбектеу әлі де ұзақ және қымбат процесс болып табылады. Дегенмен, белгілі бір хромосоманың белгілі бір аймағының тізбегін анықтау мүмкін. Молекулалық жүйелі талдау үшін шамамен 1000 негіз жұбын тізбектеу қажет. Мұндай тізбектегі кез келген орнындағы негіздер организмдер арасында әртүрлі болуы мүмкін. Белгілі бір организмде кездесетін нақты тізбек оның гаплотипі деп аталады. Принцип бойынша, төрт негіз түрі болғанда және 1000 негіз жұбы болғанда, 41000 түрлі гаплотип болуы мүмкін. Алайда, белгілі бір түрдегі немесе туысқан түрлер тобындағы организмдер үшін тәжірибе жүзінде тек аз ғана орындарда айырмашылықтар байқалады және табылған өзгерістердің көпшілігі өзара байланысты, сондықтан табылған ерекше гаплотиптердің саны салыстырмалы түрде аз. Молекулалық жүйелі талдау кезінде гаплотиптер генетикалық материалдың белгілі бір аймағы үшін анықталады; мақсатты түрдің немесе басқа таксонның үлкен санының үлгілері қолданылады; алайда, қазіргі көптеген зерттеулер жеке тұлғаларға негізделген. Сонымен қатар, жақын туысқан, бірақ әртүрлі таксондардың жеке тұлғаларының гаплотиптері анықталады. Соңында, мүлдем басқа таксоннан алынған кішкентай сандығы адамдардың гаплотиптері анықталады: оларға аутгруп деп аталады. Содан кейін гаплотиптердің негіз тізбектері салыстырылады. Ең қарапайым жағдайда, екі гаплотип арасындағы айырмашылық олардың әртүрлі негіздері бар орындардың санын санау арқылы бағаланады: бұл алмастырулар саны деп аталады (гаплотиптер арасында басқа да айырмашылықтар болуы мүмкін, мысалы, бір гаплотипте басқада жоқ нуклеин қышқылының бөлігінің енгізілуі). Организмдер арасындағы айырмашылық әдетте алмастырулар санын талдауға қолданылған негіз жұптарының санына бөлу арқылы пайыздық айырмашылық ретінде көрсетіледі: бұл өлшем ДНК тізбегінің орналасуы мен ұзындығына тәуелсіз болады деп үміттеніледі. Ескі және қолданылмайтын тәсіл - ДНК-ДНК гибридизациясы арқылы жеке тұлғалардың генотиптері арасындағы айырмашылықтарды анықтау. Гендік тізбектеудің орнына гибридизацияны пайдаланудың артықшылығы оның ДНК-ның белгілі бір бөлімдеріне емес, толық генотипке негізделгендігі болды. Қазіргі заманғы тізбектерді салыстыру әдістері бірнеше тізбектерді пайдалану арқылы бұл кемшіліктерді жояды. Барлық үлгілердің жұптары арасындағы айырмашылықтар анықталғаннан кейін, айырмашылықтардың үшбұрышты матрицасы статистикалық кластерлік талдаудың бір түріне жіберіледі және алынған дендрограмма топтың таксономиясы туралы қазіргі көзқарастарға сәйкес үлгілердің кластерленгенін тексеру үшін қарастырылады. Бір-біріне басқа гаплотиптерге қарағанда көбірек ұқсас гаплотиптер тобы кладты құрайды деп айтуға болады, бұл оң жақтағы суретте көрсетілгендей визуализацияланады. Бутстрапинг және джекнайфинг сияқты статистикалық әдістер эволюциялық ағаштардағы гаплотиптердің орналасуының сенімділігін бағалауға көмектеседі.
Техникалар мен қолдану
Әрбір тірі организмде дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК), рибонуклеин қышқылы (РНК) және ақуыздар болады. Жалпы алғанда, жақын туысқан организмдердің осы заттардың молекулалық құрылымында жоғары дәрежеде ұқсастық байқалады, ал алыс туысқан организмдердің молекулалары көбінесе айырмашылық үлгісін көрсетеді. Митохондриялық ДНК сияқты сақталған тізбектер уақыт өте келе мутацияларды жинақтайды деп күтіледі, және мутация жылдамдығы тұрақты болған жағдайда, эволюциялық айырмашылықтарды анықтау үшін молекулалық сағатты ұсынуға болады. Молекулалық филогенезия осындай деректерді әртүрлі организмдердің эволюциясын көрсететін "туыстық ағаш" құру үшін пайдаланады. 1977 жылы Сангер тізбектеу әдісін ойлап тапқаннан кейін осы молекулалық құрылымдарды оқшаулау және анықтау мүмкін болды. Жоғары өнімді тізбектеу организмнің транскриптомын алу үшін де қолданылуы мүмкін, бұл транскриптомикалық деректерді пайдалана отырып, филогенетикалық қатынастарды болжауға мүмкіндік береді. Ең көп қолданылатын тәсіл – гендердің гомологты тізбектерін тізбекті сәйкестендіру әдістерін қолдану арқылы салыстыру, осылайша ұқсастықтарды анықтау. Молекулалық филогенезияның тағы бір қолданылуы – ДНК штрих-кодтау, онда жеке организмнің түрі митохондриялық ДНК немесе хлоропласт ДНК-ның шағын бөліктерін пайдалана отырып анықталады. Мұны іске асыруға мүмкіндік беретін техникалардың тағы бір қолданылуын адам генетикасының салыстырмалы түрде тар саласында көруге болады, мысалы, баланың әкесін анықтау үшін генетикалық тестілеудің кеңінен таралуы, сондай-ақ генетикалық саусақ іздері деп аталатын дәлелдерге негізделген жаңа криминалдық сот-медициналық саланың пайда болуы.
Молекулалық филогенетикалық талдау
Молекулалық филогенетикалық талдау жүргізу үшін бірнеше әдістер бар. Бір әдіс, филогенетикалық ағаш құру бойынша толық қадамдық хаттаманы қамтиды, оның ішінде ДНК/Аминоқышқылдарының тізбектік жалғасуын құрастыру, көптік тізбектерді салыстыру, модельдік сынақ (ең жақсы сәйкес келетін алмасу модельдерін тексеру) және максималды ықтималдылық пен Байес қорытындысын қолданып филогенезді қайта құру, Nature Protocol-да қолжетімді. Певснер басқа молекулалық филогенетикалық талдау әдісін сипаттады, ол келесі сөйлемдерде қысқаша баяндалған (Pevsner, 2015). Филогенетикалық талдау әдетте бес негізгі қадамнан тұрады. Бірінші кезең – тізбектерді алу. Келесі қадам көптік тізбектерді салыстыруды орындаудан тұрады, бұл филогенетикалық ағаш құрудың негізгі алғы шарты болып табылады. Үшінші кезең ДНК және аминқышқылдарының алмасуының әртүрлі модельдерін қамтиды. Бірнеше алмасу модельдері бар. Мысалдарға Хамминг қашықтығы, Жукс пен Кантордың бір параметрлі моделі және Кимураның екі параметрлі моделі жатады (ДНК эволюциясының модельдерін қараңыз). Төртінші кезең ағаш құрудың әртүрлі әдістерін қамтиды, оның ішінде қашықтыққа және белгілерге негізделген әдістер. Нормаланған Хамминг қашықтығы және Жукс-Кантор түзету формулалары сәйкесінше дивергенция дәрежесін және нуклеотидтің басқаға өзгеру ықтималдығын көрсетеді. Ағаш құрудың жалпы әдістеріне арифметикалық орташа (UPGMA) және жақын қосылу, бұл қашықтыққа негізделген әдістер, максималды сақтық, бұл белгіге негізделген әдіс, және максималды ықтималдылықты бағалау және Байес қорытындысы, бұл белгіге/модельге негізделген әдістер жатады. UPGMA қарапайым әдіс, бірақ жақын қосылу әдісіне қарағанда дәлдігі төмен. Соңғы қадам ағаштарды бағалаудан тұрады. Дұрыс бағалау жүйелілік, тиімділік және тұрақтылықтан тұрады. MEGA (молекулалық эволюциялық генетика талдауы) – қолдануға оңай және жүктеуге және пайдалануға тегін талдау бағдарламалық жасақтамасы. Бұл бағдарламалық қамтамасыз ету қашықтыққа және белгіге негізделген ағаш әдістемелерін талдауға қабілетті. MEGA сондай-ақ пайдаланушыға таңдау үшін бірнеше опцияларды ұсынады, мысалы, эвристикалық тәсілдер және бутстрап. Бутстрап – филогенетикалық ағаштағы топологияның тұрақтылығын өлшеу үшін жиі қолданылатын тәсіл, ол көптеген репликациялардан кейін әр кладаның қолдау деңгейін көрсетеді. Әдетте, 70%-дан жоғары мән маңызды деп есептеледі. Оң жақтағы сызба Певснердің молекулалық филогенетикалық талдау әдісінің бес сатысының ретін көрнекті түрде көрсетеді. Ағаш құру әдісі ағаш топологиясы, эволюция жылдамдығы және сынама алу туралы нақты болжамдармен бірге келеді. UPGMA әдісі тамырланған ағаш пен біртекті молекулалық сағатты қабылдайды, екеуі де дұрыс емес болуы мүмкін.