Кіріспе

Ұялы молекулалардың ұрпақтан-ұрпаққа берілуі кезіндегі реттілік құрамының өзгеру процесі. Молекулалық эволюция эволюциялық уақыт ішінде мұрагерлік ДНҚ және/немесе РНҚ қалай өзгеретінін және оның ақуыздар мен жасушалар мен организмдердің басқа да құрамына тигізетін әсерін сипаттайды. Молекулалық эволюция – өмір ағашын сипаттауға бағытталған филогенетикалық тәсілдердің негізі. Молекулалық эволюция, әсіресе қысқа мерзім ішінде, популяциялық генетикамен байланысты. Молекулалық эволюцияның тақырыптарына жаңа гендердің пайда болуы, күрделі белгілердің генетикалық сипаты, бейімделу және түр пайда болуының генетикалық негізі, даму эволюциясы, сондай-ақ эволюция барысында геномдық өзгерістерге жататын үлгілер мен процестер кіреді.

Тарих

Молекулалық эволюция тарихы 20-шы ғасырдың басында салыстырмалы биохимиямен және 1950 жылдары гомологты ақуыздарды зерттеу үшін иммундық талдау, гельдік электрофорез және қағаз хроматографиясы сияқты "саусақ іздерін анықтау" әдістерін қолданумен басталады. Ақуыз тізбегін анықтау молекулалық биологтарға тізбекті салыстыру негізінде филогенияларды құруға және гомологты тізбектер арасындағы айырмашылықтарды молекулалық сағат ретінде пайдаланып, ең соңғы ортақ ата-тектің пайда болған уақытын бағалауға мүмкіндік берді. Бейтарап теория молекулалық сағаттың теориялық негізін де ұсынды, бірақ бұл сағаттың дұрыстығы үшін міндетті емес. 1970 жылдан кейін нуклеин қышқылының тізбегін анықтау молекулалық эволюцияның ақуыздардан асып, жоғары сақталған рибосомалық РНК тізбектеріне жетуіне мүмкіндік берді, бұл өмірдің ерте тарихын қайта қарастырудың негізі болды. Бұл деңгейлер уақыт өте келе салыстырмалы түрде тұрақты болады (мысалы, гемоглобин цитохром С сияқты жылдам эволюцияланбайды, бірақ адамдардың, егеуқұйрықтардың гемоглобиндері және т.б. эволюция жылдамдығы шамалас). Бір тармақтағы жылдам эволюция сол тармақтағы бағытталған таңдаудың күшеюін көрсетеді. Таңдау қызметі маңызды аймақтардың баяу эволюциясына себеп болады, ал ұқсас аминқышқылдарды қамтитын аминқышқылдарының алмасуы, ұқсас емес алмасуларға қарағанда жиірек болады. Мысалы, рибонуклеотид редуктаза (РНР) көптеген құрылымдық және функционалдық варианттарды дамытты. I кластағы РНР ферритин суббірлігін пайдаланады және кофактор ретінде қолданылатын металлмен ерекшеленеді. II кластағы РНР-лерде тиил радикалы аденозилкобаламин кофакторы арқылы түзіледі және бұл ферменттерге қосымша суббірліктер қажет емес (I классынан айырмашылығы). III кластағы РНР-де тиил радикалы S-аденозилметиониннің [4Fe 4S] кластеріне байланысуы арқылы түзіледі. Яғни, бір ақуыз отбасында көптеген құрылымдық және функционалдық механизмдер эволюциялай алады. Дәлелдемелік зерттеуде Бхаттачарья және әріптестері ферменттік емес оттегі сақтау ақуызы – миоглобинды, тек үш мутацияны қолдана отырып, өте тиімді Кемп элиминазасына айналдырды. Бұл ақуыздың функциясын түбегейлі өзгерту үшін аз ғана мутациялар жеткілікті екенін көрсетеді. Бағытталған эволюция – молекулалық эволюциядан шабыттанған әдістерді қолдана отырып, ақуыздарды жасауға жасалған әрекет.

Бір жерде молекулалық эволюция

Бір локустағы өзгеріс жаңа мутациядан басталады, ол табиғи іріктеу, генетикалық дрейф және гендік конверсияның әрекеттесуі нәтижесінде бекітілуі мүмкін.

Мутация

Мутация – жасушаның немесе вирустың генетикалық материалының (ДНК немесе РНК) тұрақты, берілетін өзгерістері. Мутациялар жасуша бөліну кезінде ДНК көшіріліміндегі қателерден, сондай-ақ радиацияға, химиялық заттарға, басқа да қоршаған ортаның стресстік факторларға, вирустарға немесе жылдам жылжымалы элементтерге (транспозондарға) ұшыраудан туындайды. ДНК-ның бір ғана негіз жұбының нүктелік мутациялары, егер олар ақуызды кодтайтын аймақта болса, аминоқышқылдар тізбегін өзгертпейтін (синонимді) немесе өзгертетін (синонимді емес) болуымен сипатталады. Мутацияның басқа түрлері ДНК-ның үлкен бөліктерін өзгертеді және дупликацияға, инсерцияға, делетцияға, инверсияға және транслокацияға алып келуі мүмкін. Әртүрлі мутация түрлерінің таралу жиілігі "мутациялық спектр" деп аталады (Қосымша B-ні қараңыз), бірақ кейбір вирустарда бір ұрпақта 10−6 шамасындағы жоғары мутация деңгейі байқалады. Транзициялар (A ↔ G немесе C ↔ T) трансверсиялардан (пурин (аденин немесе гуанин) ↔ пиримидин (цитозин немесе тимин, немесе РНК-да урацил)) гөрі жиі кездеседі. Адамдарда ең көп кездесетін мутацияның бір түрі – қысқа тандемді қайталаудың ұзындығының өзгеруі (мысалы, әртүрлі аурулармен байланысты мутацияларға жауап беретін CAG қайталаулары). Мұндай STR мутациялары бір ұрпақта 103 шамасында кездесуі мүмкін. Мутация түрлерінің әртүрлі жиілігі эволюцияда маңызды рөл атқарады, өйткені ол өзгергіштіктің енгізілуінде (кіру бейімділігі) бағытталғандық арқылы параллелизмге, тенденцияларға және бейімделу ландшафтының өтімділігіне әсер етеді. Мутациялық бейімділік параллель эволюцияға жүйелі немесе болжамды үлес қосады. 1960 жылдардан бері геномдық GC құрамы мутациялық бейімділікті көрсетеді деп есептеледі. Мутациялық бейімділіктер кодонды пайдалану бейімділігіне де әсер етеді. Мұндай гипотезалар көбінесе бейтараптықпен байланысты болғанымен, соңғы теориялық және эмпирикалық нәтижелер мутациялық бейімділіктің бейтарап және бейімделу эволюциясына өзгергіштіктің енгізілуінде бағытталғандық арқылы (кіру бейімділігі) әсер етуі мүмкін екенін көрсетті.

Таңдау

Аллель оны тасымалдаушыға қарағанда орташа есімдікке артық тіршілікке қабілеттілік, яғни өмір сүру немесе көбею мүмкіндігін берген жағдайда таңдау жүруі мүмкін. Таңдаушыл тәсіл, мысалы, кодон қолданылысындағы қағидалардың, кем дегенде, молекулалық эволюцияны қалыптастыруға тіпті әлсіз таңдаудың да қабілеттілігіне байланысты екенін көрсетеді. Таңдау организмнің тіршілікке қабілеттілігі есебінен ген деңгейінде де жұмыс істей алады, нәтижесінде геном ішіндегі қақтығыс туындайды. Өйткені, иесіне зиян келтіргеніне қарамастан, өзімшіл генетикалық элементтерге таңдау артықшылығы болуы мүмкін. Мұндай өзімшіл элементтердің мысалдарына жылжымалы элементтер, мейоздық драйверлер және өзімшіл митохондриялар жатады. Таңдауды Ka/Ks қатынасын және Макдональд-Крейттман тестісін қолдану арқылы анықтауға болады. Жылдам бейімделу эволюциясы көбінесе геном ішіндегі қақтығысқа, жыныстық қарсы эволюцияға және иммундық жүйеге қатысты гендер үшін кездеседі.

Генетикалық ауытқу

Генетикалық дрейф – шектеулі популяцияларда кездейсоқ іріктеудің стохастикалық әсерінен бір ұрпақтан келесі ұрпаққа аллель жиіліктерінің өзгеруі. Бұл әсерлер популяцияда мутация бекігенге дейін жинақталуы мүмкін. Бейтарап мутациялар үшін, бір ұрпақта бекітілу жылдамдығы репликация барысындағы мутация жылдамдығына тең. Сөйтіп, салыстырмалы тұрақты мутация жылдамдығы бір ұрпақтағы тұрақты өзгеріс жылдамдығын тудырады (молекулалық сағат). Іріктеу коэффициенті 1 / тиімді популяция мөлшерінен кем болатын, аз зиянды мутациялар да бекітілуі мүмкін. Көптеген геномдық ерекшеліктер тиімді популяция мөлшерінің кіші болуының нәтижесінде дерлік зиянды мутациялардың жинақталуына байланысты. Тиімді популяция мөлшері кішірек болғанда, іріктеудің тиімсіздігіне байланысты мутациялардың кең ауқымы бейтарапқа жақын әрекет етеді.

Гендік конверсия

Гендік конверсия рекомбинация кезінде, нуклеотидтік зақымдар гомологты геномдық аймақтың үлгі ретінде пайдаланылуы арқылы жөнделгенде жүзеге асады. Бұл процесте бір жақтылық болуы мүмкін, яғни гендік конверсия оқиғасында бір аллельдің донор болу ықтималдығы екіншісінен жоғары болуы мүмкін. Атап айтқанда, GC-ға бейім гендік конверсия геномдардың GC-құрамын, әсіресе рекомбинация деңгейі жоғары аймақтарда арттыруға бейім. Сәйкессіздіктерді түзету процесінде де GC-қа бейімділікке дәлелдер бар. Бұл метилцитозиннің жоғары деаминация деңгейіне бейімделу болуы мүмкін, ол C→T транзицияларына әкелуі мүмкін. Бір жақты гендік конверсияның динамикасы табиғи іріктеу динамикасына ұқсас, себебі сирек кездесетін сүйікті аллель жиілігі экспоненциалды түрде артады.

Геномның көлемі

Геномның мөлшері организмдегі қайталанатын ДНҚ мөлшерімен, сондай-ақ гендер санымен анықталады. Көптеген бактериялар, дрозофилалар және арабидопсис сияқты кейбір организмдерде аз қайталанатын контент немесе кодтамайтын ДНҚ бар, сондықтан геномдары тығыз болады. Сүтқоректілер мен жүгері сияқты басқа организмдерде көп мөлшерде қайталанатын ДНҚ, ұзын интрондар және гендер арасында кеңірек аралықтар кездеседі. C-мәнінің парадоксы – организмнің «күрделілігі» мен геном мөлшері арасындағы корреляцияның болмауы. Осы парадоксқа екі түсіндірме бар. Біріншіден, көптеген организмдерде қайталанатын генетикалық элементтер геномның үлкен бөлігін құрап, гаплоидты геномның ДНК контентін арттырады. Қайталанатын генетикалық элементтер көбінесе транспозонды элементтерден пайда болады. Екіншіден, гендер саны организмдегі даму сатыларының немесе тіндердің түрлерінің санын міндетті түрде көрсетпейді. Аз даму сатылары немесе тіндері бар организмде дамуға қатысты емес фенотиптерге әсер ететін көптеген гендер болуы мүмкін, бұл дамуға қатысты емес гендер отбасыларына қатысты ген контентін арттырады. Геном мөлшеріне қатысты бейтарап түсіндірмелер, популяция мөлшері кішкентай болғанда көптеген мутациялар бейтарапқа жақын болатынын көрсетеді. Сондықтан кішкентай популяцияларда қайталанатын контент және басқа «қоқыс» ДНҚ организмнің бәсекеге қабілетін төмендетпей жинақталуы мүмкін. Көпжасушалы эукариоттарда геном мөлшеріне күшті және кең таралған таңдау жасалғанын көрсететін аз ғана дәлел бар. Ген контентіне тәуелсіз геном мөлшері көптеген физиологиялық белгілермен нашар сәйкес келеді және көптеген эукариоттар, соның ішінде сүтқоректілер, өте көп мөлшерде қайталанатын ДНҚ-ны қамтиды. Дегенмен, құстар ұшу үшін энергия қажеттіліктерінің өзгеруіне жауап ретінде геном мөлшерін азайтуға күшті таңдау жасаған болуы мүмкін. Адамдардан айырмашылығы, құстар ядролы қызыл қан жасушаларын шығарады, ал үлкен ядролар оттегі тасымалының төмендеуіне әкеледі. Құстардың метаболизмі ұшуға байланысты, негізінен сүтқоректілердің метаболизмінен әлдеқайда жоғары, ал оттегіге деген қажеттілік жоғары. Сондықтан көптеген құстардың геномдары кішкентай, тығыз және аз қайталанатын элементтерге ие. Қосымша дәлелдер, қазіргі құстардың құс емес теропод динозаврларының ата-бабалары да эндотермияға және жүгіру жылдамдығына байланысты жоғары энергетикалық қажеттіліктерге сәйкес геном мөлшерін азайтатынын көрсетеді. Көптеген бактериялар да кішкентай геном мөлшеріне таңдау жасады, өйткені көбейту уақыты мен энергия тұтыну денеге қатыстылығымен тығыз байланысты.

Хромосома саны мен құрылысы

Myrmecia pilosula құмырсқасының тек бір жұп хромосомасы бар, ал Ophioglossum reticulatum папоротнигінің 1260-қа дейін хромосомасы болуы мүмкін. Организмнің геномындағы хромосомалар саны, геномындағы ДНК мөлшерімен міндетті түрде байланысты емес. Геномдық рекомбинацияның мөлшері хромосомалар санымен тікелей реттеледі, түрге қарай бір кроссовер хромосомаға немесе хромосома қолға шамалас келеді. Хромосома санының өзгеруі түр пайда болуында маңызды рөл атқарады, себебі хромосома санының өзгешелігі гибридтерде көбеюге кедергі жасайды. Адамның 2-хромосомасы екі шимпанзе хромосомасының бірігуі нәтижесінде пайда болған және әлі де орталық теломерлерді, сондай-ақ екінші центромердің іздерін сақтайды. Полиплоидия, әсіресе өсімдіктерде жиі кездесетін аллополиплоидия, ата-аналық түрлермен көбеюге қабілетсіздікке де алып келуі мүмкін. Agrodiatus көк көбелектерінің хромосомалық саны әртүрлі, n=10-нан n=134-ке дейін, және олар бүгінгі күнге дейін анықталған түрленудің ең жоғары көрсеткіштерінің бірін иеленеді. Цилиаттардың геномдары әр генді жеке хромосомаларда сақтайды.

Органельдер

Ядролық геномнан басқа, эндосимбионт органеллаларының өз генетикалық материалы болады. Митохондриялық және хлоропласттық ДНҚ түрлер бойынша өзгешеліктерге ие, бірақ мембранаға байланысқан ақуыздар, әсіресе электрондық тасымалдау тізбегінің құрамдас бөліктері көбінесе органеллада кодталады. Көптеген түрлерде хлоропластар мен митохондриялар аналық жолмен мұраға беріледі, себебі органеллалар жұмыртқа арқылы өтуі тиіс. Сирек кездесетін жағдайларда, кейбір шатырбалықтардың түрлері митохондрияны әкесінен баласына мұра етеді.

Жаңа гендердің пайда болуы

Жаңа гендер бірнеше түрлі генетикалық механизмдер арқылы пайда болады, оның ішінде гендердің дубликациясы, de novo гендердің тууы, ретротранспозиция, химерлік гендердің қалыптасуы, кодтамайтын тізбектердің қолданыстағы генге қосылуы және гендердің қысқаруы. Гендердің дубликациясы бастапқыда артықшылыққа алып келеді. Дегенмен, дубликацияланған гендер тізбектері жаңа функцияларды дамыту үшін мутацияға ұшырауы немесе жаңа геннің түпкі ата-баба функцияларының бір бөлігін орындау үшін мамандануы мүмкін. Ретротранспозиция гендерді мРНК-ны ДНК-ға көшіріп, геномға енгізу арқылы дубликаттайды. Ретрогендер әдетте жаңа геномдық орналасқан жерлерге енгізіледі, интрондардан құралмайды және кейде жаңа экспрессия үлгілері мен функцияларын дамытады. Химерлік гендер дубликация, жойылу немесе толық емес ретротранспозиция екі түрлі кодтау тізбектерінің бөліктерін біріктіріп, жаңа ген тізбегін құрғанда пайда болады. Химералар көбінесе реттеуші өзгерістерге әкеледі және жаңа бейімделу функцияларын жасау үшін ақуыз домендерін шатастыра алады. De novo гендердің тууы бұрын кодтамайтын ДНК-дан жаңа гендердің пайда болуына мүмкіндік береді. Мысалы, Левин және әріптестері D. melanogaster геномында кодтамайтын ДНК-дан бес жаңа геннің пайда болғанын хабарлады. De novo гендер кодтамайтын тізбектерден немесе жапсарлас гендерді құру үшін баламалы оқу тізбектерінен туындауы мүмкін. Жапсарлас гендер вирустарда жиі кездеседі. Тоқтату кодонының қалыпты кодонға немесе фреймшифтқа мутациясы бұрын кодтамайтын тізбекті қамтитын ұзартылған белокты тудыруы мүмкін. Гендердің de novo эволюциясын зертханада да модельдеуге болады. Мысалы, жартылай кездейсоқ ген тізбектерін белгілі бір функцияларға іріктеуге болады. Ұқсас тәсіл E. coli бактериясындағы маңызды фермент – SerB-нің жетіспеушілігін толықтыратын кездейсоқ пептидтер мен қысқа белоктарды іріктеу үшін қолданылды. Шындығында, мұндай селективті артықшылығы бар кездейсоқ белоктарды жасауға болады, осылайша функционалды емес тізбектерден функционалды белоктардың эволюциясына дәлел келтіреді.

Конструктивті бейтарап эволюция

Конструктивті бейтарап эволюция (КНЭ) күрделі жүйелердің артық сыйымдылық, алдын ала басу және ратчеттеу принциптері арқылы бейтарап өзгерістер нәтижесінде пайда болып, популяцияға таралуын түсіндіреді. Ол сплайцесоманың пайда болуынан бастап микробтық қауымдастықтардың күрделі өзара байланысына дейінгі салаларда қолданылған.

Журналдар мен қоғамдар

Молекулалық биология және эволюция қоғамы "Молекулалық биология және эволюция" және "Геномдық биология және эволюция" журналдарын шығарып, жыл сайын халықаралық мәжіліс өткізеді. Молекулалық эволюцияға арналған тағы бірнеше журналдар бар, олардың ішінде "Молекулалық эволюция" және "Молекулалық филогенетика және эволюция" журналдары бар. Молекулалық эволюция саласындағы зерттеулер генетика, молекулалық биология, геномика, систематика және эволюциялық биология журналдарында да жарияланады.