Молекулалық эволюцияның бейтарап теориясы

Кіріспе

Эволюцияның молекулалық деңгейдегі өзгерістер теориясы. Молекулалық эволюцияның бейтарап теориясы эволюциялық өзгерістердің көпшілігі молекулалық деңгейде жүзеге асады және түрлер ішіндегі және түрлер арасындағы айырмашылықтардың көп бөлігі селективті жағынан бейтарап мутантты аллельдердің кездейсоқ генетикалық дрейфіне байланысты. Теория тек молекулалық деңгейдегі эволюцияға қатысты қолданылады және Чарльз Дарвин ұсынғандай, табиғи іріктеу арқылы қалыптасқан фенотиптік эволюциямен үйлесімді. Бейтарап теория көптеген мутациялардың зиянды болуы мүмкін екендігін мойындайды, бірақ олар табиғи іріктеу арқылы жылдам жойылғандықтан, молекулалық деңгейде түрлер ішіндегі және түрлер арасындағы айырмашылыққа маңызды үлес қоспайды. Бейтарап мутация – организмнің тірі қалу және көбею қабілетіне әсер етпейтін мутация. Бейтарап теория зиянды емес мутациялардың пайдалы емес, бейтарап екенін болжайды. Бір түрдің әрбір ұрпағында гаметтердің тек бір бөлігі ғана іріктеледі, сондықтан бейтарап теория мутантты аллельдің популяция ішінде пайда болып, селективті артықшылыққа қарағанда, кездейсоқ түрде бекітілуі мүмкін деп санайды. Теорияны 1968 жылы жапон биологы Мотоо Кимура, ал 1969 жылы екі американдық биолог Джек Лестер Кинг және Томас Хьюз Жукс ұсынды, ал Кимура 1983 жылы шығарған «Молекулалық эволюцияның бейтарап теориясы» монографиясында бұл теорияны егжей-тегжейлі сипаттады. Бейтарап теорияның ұсынылуынан кейін молекулалық дивергенция мен ген полиморфизмінің үлгілерін түсіндіруге байланысты кең ауқымды «бейтараптық-іріктеушілік» дау 1970 және 1980 жылдары өршіді. Бейтарап теорияны организмдер мен популяцияларда морфологиялық немесе генетикалық ерекшеліктердің пайда болуын сипаттау үшін, адаптивті түсіндірмелерге қарама-қарсы нөлдік гипотеза ретінде жиі қолданады. Бұл бірнеше салаларда, соның ішінде бір номиналды түрдің популяциялары арасындағы генетикалық айырмашылықтарды, күрделі субклеткалық құрылымдардың пайда болуын түсіндіруде ұсынылған.

Theory of evolution by changes at the molecular level

The neutral theory of molecular evolution holds that most evolutionary changes occur at the molecular level, and most of the variation within and between species are due to random genetic drift of mutant alleles that are selectively neutral. The theory applies only for evolution at the molecular level, and is compatible with phenotypic evolution being shaped by natural selection as postulated by Charles Darwin. The neutral theory allows for the possibility that most mutations are deleterious, but holds that because these are rapidly removed by natural selection, they do not make significant contributions to variation within and between species at the molecular level. A neutral mutation is one that does not affect an organism's ability to survive and reproduce. The neutral theory assumes that most mutations that are not deleterious are neutral rather than beneficial. Because only a fraction of gametes are sampled in each generation of a species, the neutral theory suggests that a mutant allele can arise within a population and reach fixation by chance, rather than by selective advantage. The theory was introduced by the Japanese biologist Motoo Kimura in 1968, and independently by two American biologists Jack Lester King and Thomas Hughes Jukes in 1969, and described in detail by Kimura in his 1983 monograph The Neutral Theory of Molecular Evolution. The proposal of the neutral theory was followed by an extensive "neutralist–selectionist" controversy over the interpretation of patterns of molecular divergence and gene polymorphism, peaking in the 1970s and 1980s. Neutral theory is frequently used as the null hypothesis, as opposed to adaptive explanations, for describing the emergence of morphological or genetic features in organisms and populations. This has been suggested in a number of areas, including in explaining genetic variation between populations of one nominal species, the emergence of complex subcellular machinery,

Шығу тегі

Фриз (1962) және Фриз бен Йошида (1965) сияқты кейбір ғалымдар бейтарап мутациялар кеңінен таралғанын болжағанмен, теорияның түпкілікті математикалық негіздемесін 1930 жылы Р. А. Фишер жариялаған. Дегенмен, Фишер практикада бейтарап гендердің алмасуы өте сирек болатынына сенуге негізді аргументтер келтірді. Бейтарап эволюцияның тұжырымды теориясын алғаш рет 1968 жылы Мотоо Кимура, ал 1969 жылы Кинг пен Джукс тәуелсіз түрде ұсынды. Кимура бастапқыда түрлер арасындағы айырмашылықтарға, ал Кинг пен Джукс түр ішіндегі айырмашылықтарға назар аударды. Көптеген молекулалық биологтар мен популяциялық генетиктер де бейтарап теорияның дамуына үлес қосты. Дж. Б. С. Холдейн, Р. А. Фишер және Сеуолл Райттың қалаған популяциялық генетика принциптері ген жиілігін талдауға математикалық жол ашты, бұл Кимураның теориясын дамытуға септігін тигізді. Кимура Холдейннің табиғи іріктеудің бағасына қатысты дилеммасын ынталандырушы фактор ретінде пайдаланды. Холдейн пайдалы мутацияның сүтқоректілердің эволюциялық тарихында бекінуіне шамамен 300 ұрпақ қажет екенін есептеді, яғни адам мен шимпанзе арасындағы эволюциядағы алмасу мөлшері (жылына 1,5) пайдалы мутациялармен түсіндірілмейтіндей жоғары болды.

Функционалдық шектеу

Бейтарап теория бойынша, функционалдық шектеулер азайған сайын мутацияның бейтарап болу ықтималдығы артады, демек тізбек дивергенциясының жылдамдығы да артуы керек. Әртүрлі ақуыздарды салыстырғанда, фибринопептидтер және проинсулин молекуласының С тізбегі сияқты, белсенді молекулаларымен салыстырғанда аз немесе мүлдем функционалдық қасиеттері жоқ ақуыздарда өте жоғары эволюциялық жылдамдықтар байқалды. Кимура және Ота гемоглобин ақуызының бетіндегі альфа және бета тізбектерінің ішкі қуыстарға қарағанда шамамен он есе жылдам эволюциялайтынын болжады, бұл гемоглобиннің жалпы молекулалық құрылымы темір құрамындағы гема тобы орналасқан ішкі бөлігіне қарағанда кем маңызды екенін көрсетеді. Кодонның үшінші позициясында нуклеотидтердің ауысу жылдамдығының жоғары екенін көрсететін дәлелдер бар, онда функционалдық шектеулер аз. Бұл көзқарас, ішінара, дегенеративті генетикалық кодқа негізделген, онда үш нуклеотидтің (кодон) тізбегі әртүрлі болуы мүмкін, бірақ бірдей аминқышқылын кодтай алады (мысалы, GCC және GCA екеуі де аланинды кодтайды). Осылайша, көптеген потенциалды бір нуклеотидтік өзгерістер іс жүзінде «үнсіз» немесе «көрінбейтін» (синонимді немесе үнсіз ауыстыруға қараңыз) болып табылады. Мұндай өзгерістердің биологиялық әсері аз немесе мүлдем жоқ деп есептеледі.

Санаттық теория

Кимура сонымен қатар мутацияланған аллельдердің эволюциялық жылдамдықтары туралы түсінік беру үшін шексіз сайттар моделін (ISM) әзірледі. Егер әрбір хромосомасының екі жиыны бар жеке тұлғалардың ұрпағы бойынша гаметалардың мутациялық жылдамдығын білдірсек, онда әрбір ұрпақтағы жаңа мутанттардың жалпы саны болады. Енді, егер популяцияда мутантты аллельдің бекітілуіне байланысты эволюциялық жылдамдықты білдірсе, ISM-ге сәйкес, селективті бейтарап мутациялар геннің әрбір көшірмесінде жылдамдықпен пайда болады және ықтималдықпен бекітіледі. Кез келген ген популяцияда бекітілуі мүмкін болғандықтан, теңдігінен эволюциялық жылдамдық теңдеуі шығады:

Бұл дегеніміз, егер барлық мутациялар бейтарап болса, әртүрлі популяциялар арасында жинақталатын бекітілген айырмашылықтардың жылдамдығы популяция көлеміне тәуелсіз, жеке мутациялар жылдамдығына тең болады деп болжанады. Мутациялардың бейтарап үлесі тұрақты болғанда, популяциялар арасындағы дивергенция деңгейі де тұрақты болады. Бұл нейтралды теориядан бұрын пайда болған молекулалық сағаттың негізін береді. ISM сондай-ақ молекулалық туыстастықта байқалатын тұрақтылықты көрсетеді. Бұл стохастикалық процесс, мысалы, бейтарап аллельдің бейтарап емес аллельдермен генетикалық байланысы салдарынан генетикалық автостоппен жүруінен гөрі, үлгі алудың кездейсоқ оқиғалары арқылы кездейсоқ генетикалық дрейфті сипаттайтын теңдеулерге бағынады деп есептеледі. Мутация арқылы пайда болғаннан кейін, бейтарап аллель генетикалық дрейф арқылы популяцияда жиірек кездесуі мүмкін. Әдетте ол жоғалады, немесе сирек жағдайларда бекітілуі мүмкін, яғни жаңа аллель популяцияда стандартқа айналады. Молекулалық эволюцияның бейтарап теориясына сәйкес, бір түрдегі генетикалық өзгерістің мөлшері популяцияның тиімді көлеміне пропорционал болуы керек.

"Нейтралистік-селекционисттік" пікірталас

Кимураның теориясы жарияланғанда қызу пікірталас туды, негізінен "бейтарап" және "бейтарап емес" полиморфты және бекітілген аллельдердің салыстырмалы пайыздық үлесін айналдырды. Генетикалық полиморфизм дегеніміз – белгілі бір гендердің әртүрлі нысандары, яғни олар шығаратын ақуыздардың бір түр ішінде бірге кездесуі. Таңдаушылар (селекционистер) мұндай полиморфизмдер тепе-теңдік таңдауы арқылы сақталады деп мәлімдесе, ал бейтараптар (нейтралистер) ақуыздың өзгеруін молекулалық эволюцияның уақытша фазасы деп қарастырады. Бұл бейтарап теорияның ірі бөлімшелерде бейтарап мутация деңгейі жоғары болу керек деген болжамымен сәйкес келеді. Ал таңдаушылар, керісінше, полиморфизмнің негізгі себебі құрылымдық және функционалдық факторлар емес, қоршаған ортаның жағдайлары деп санайды. Генетикалық әртүрліліктің жоғары деңгейі бейтарап теорияны қолдаған бастапқы аргументтердің бірі болғанымен, вариацияның парадоксы бейтарап теорияға қарсы ең күшті дәлелдердің біріне айналды. Эволюцияны бейтарап теория дұрыс сипаттай ма, жоқ па, оны тексеру үшін көптеген статистикалық әдістер бар (мысалы, Макдональд-Крейтман тесті), және көптеген авторлар таңдауды анықтағандарын мәлімдеді. Дегенмен, кейбір зерттеушілер бейтарап теория әлі де тұр деп, байланысты жерлердегі фонолық таңдауды қамти отырып, бейтарап теорияның анықтамасын кеңейтуді ұсынады.

Нейтралды теория

Томоко Охта сонымен қатар бейтарап мутациялардың маңыздылығын, әсіресе сәл зиянды мутацияларды атап өтті. Бейтарап теорияның болжамы бойынша, таңдау мен генетикалық дрейф арасындағы тепе-теңдік тиімді популяция мөлшеріне байланысты. Сәл бейтарап мутациялар – бұл тиімді популяция мөлшерінің екі есесінен кем таңдау коэффициенттерін алып жүретіндер. Сәл бейтарап мутациялардың популяциялық динамикасы бейтарап мутациялардан тек аздап өзгеше, егер таңдау коэффициентінің абсолюттік шамасы 1/N-ден үлкен болмаса, мұнда N – таңдауға қатысты популяцияның тиімді мөлшері. Ірі популяцияларда таңдау сәл зиянды мутациялардың жиілігін азайтады, демек олар зиянды болып көрінеді. Алайда, кішкентай популяцияларда генетикалық дрейф таңдауды жеңіп, сәл зиянды мутациялар бейтарап сияқты әрекет етуіне және бекітілуіне немесе жоғалуына мүмкіндік береді. Конструктивті бейтарап эволюция – бұл күрделі құрылымдар мен процестер бейтарап өзгерістер арқылы пайда болуы мүмкін деген теория. Бұл теория, нейтралдылыққа баса назар аудара отырып, генетикалық дрейф арқылы бейтарап аллельдердің кездейсоқ бекітілуіне қатысты, эволюциядағы маңыздылығын атап өткен бейтарап теорияның бұрынғы әрекеттерінен шабыттанды. Осы жағдайда, B немесе A:B өзара әрекеттесуінің жоғалуы дене шынықтыру қабілетіне кері әсер етеді, сондықтан тазарту таңдауы осыған тап болған жағдайларда жеке тұлғаларды жояды. Бұл қадамдардың әрқайсысы жеке-жеке кері қайтаруға болатын болса да (мысалы, A тәуелсіз жұмыс істеу қабілетін қайта қалпына келтіре алады немесе A:B өзара әрекеттесуі жоғалуы мүмкін), кездейсоқ мутациялар тізбегі A-ның тәуелсіз жұмыс істеу қабілетін одан әрі азайтуға бейім, ал тәуелділік кеңістігі арқылы кездейсоқ жүру A-ның функционалдық тәуелсіздігіне қайта оралуы өте сирек болатын жағдайға әкелуі мүмкін, бұл CNE-ді бір бағытты немесе "ракета тәрізді" процесс етеді. CNE, күрделі жүйелердің пайда болуына адаптациялық механизмдерді (көп бөліктер мен өзара әрекеттесулерді қамтитын) қолданбайды, эволюциялық шығу тегін түсінуде қолданылды. Кейбір жағдайларда, ата-бабалар тізбегін қалпына келтіру әдістері CNE-нің кейбір ұсынылған мысалдарын тәжірибелік түрде көрсетуге мүмкіндік берді, мысалы, кейбір саңырауқұлақтардағы гетеролигомерлік сақиналы белок кешендерінде. CNE сонымен қатар күрделі құрылымдарды түсіндіру үшін бастапқы гипотеза ретінде қарастырылды, сондықтан күрделіліктің пайда болуына қатысты адаптациялық түсіндірмелер қабылдаудан бұрын осы бастапқы гипотезаға қарсы жағдай бойынша қатаң тексерілуі керек. CNE-ні бастапқы гипотеза ретінде қолдану себептері, оның өзгерістердің қожайынына бейімделу артықшылығын ұсынғанын немесе олар бағытталған түрде таңдалғанын болжамайтынында, сонымен қатар Гулд пен Левонтин сынға алған адаптацияшылдықтың шамадан тыс кемшіліктерін болдырмау үшін бейімделудің қатаң дәлелдерін сақтау қажеттілігінде.

Tomoko Ohta also emphasized the importance of nearly neutral mutations, in particularly slightly deleterious mutations. The Nearly neutral theory stems from the prediction of neutral theory that the balance between selection and genetic drift depends on effective population size. Nearly neutral mutations are those that carry selection coefficients less than the inverse of twice the effective population size. The population dynamics of nearly neutral mutations are only slightly different from those of neutral mutations unless the absolute magnitude of the selection coefficient is greater than 1/N, where N is the effective population size in respect of selection. In large populations, selection can decrease the frequency of slightly deleterious mutations, therefore acting as if they are deleterious. However, in small populations, genetic drift can more easily overcome selection, causing slightly deleterious mutations to act as if they are neutral and drift to fixation or loss. Constructive neutral evolution is a theory which suggests that complex structures and processes can emerge through neutral transitions. Although a separate theory altogether, the emphasis on neutrality as a process whereby neutral alleles are randomly fixed by genetic drift finds some inspiration from the earlier attempt by the neutral theory to invoke its importance in evolution. In this case, the loss of B or the A:B interaction would have a negative effect on fitness and so purifying selection would eliminate individuals where this occurs. While each of these steps are individually reversible (for example, A may regain the capacity to function independently or the A:B interaction may be lost), a random sequence of mutations tends to further reduce the capacity of A to function independently and a random walk through the dependency space may very well result in a configuration in which a return to functional independence of A is far too unlikely to occur, which makes CNE a one directional or "ratchet like" process. CNE, which does not invoke adaptationist mechanisms for the origins of more complex systems (which involve more parts and interactions contributing to the whole), has seen application in the understanding of the evolutionary origins of the spliceosomal eukaryotic complex, RNA editing, additional ribosomal proteins beyond the core, the emergence of long noncoding RNA from junk DNA, and so forth. In some cases, ancestral sequence reconstruction techniques have afforded the ability for experimental demonstration of some proposed examples of CNE, as in heterooligomeric ring protein complexes in some fungal lineages. CNE has also been put forwards as the null hypothesis for explaining complex structures, and thus adaptationist explanations for the emergence of complexity must be rigorously tested on a case by case basis against this null hypothesis prior to acceptance. Grounds for invoking CNE as a null include that it does not presume that changes offered an adaptive benefit to the host or that they were directionally selected for, while maintaining the importance of more rigorous demonstrations of adaptation when invoked so as to avoid the excessive flaws of adaptationism criticized by Gould and Lewontin.

Бейтарап теорияның эмпирикалық дәлелдері

Нейтралды теориядан туындайтын болжамдар, әдетте, молекулалық эволюцияны зерттеулерде қолдау табады. Бейтарап теорияның бір салдары – оң таңдаудың тиімділігі жоғары тиімді популяция санына ие популяцияларда немесе түрлерде жоғары болады. Тиімді популяция саны мен таңдау тиімділігі арасындағы бұл байланыс, шимпанзе және адам сияқты түрлердің геномдық зерттеулері арқылы расталды. Шағын популяцияларда (мысалы, түр пайда болу кезіндегі популяция тарылуы), аз зиянды мутациялар жиналуы керек. Әртүрлі түрлерден алынған деректер осы болжамды қолдайды, себебі түрлер арасындағы синонимді емес нуклеотидтік алмастырулардың синонимді алмастыруларға қатынасы, әдетте, түрлер ішіндегіден жоғары болады. Нейтралды теорияға эмпирикалық қолдау, зерттелген геномдық деректер түріне және оң таңдауды анықтау үшін қолданылатын статистикалық құралдарға байланысты өзгеруі мүмкін. Мысалы, таңдалған кодондық орындарды анықтауға арналған Байес әдістері және Макдональд-Крейтман сынақтары, оң таңдауды қате анықтау мүмкіндігі үшін сынға ұшырады.