Кіріспе

Екі немесе одан көп тіршілік нысанының тарихқа дейінгі уақытта қалай ерекшеленгенін анықтау әдісі. Молекулалық сағат – биомолекулалардың мутация жылдамдығын пайдаланып, екі немесе одан көп тіршілік нысанының тарихқа дейінгі уақытта қалай ерекшеленгенін анықтауға арналған шартты термин. Мұндай есептеулерде қолданылатын биомолекулалық деректер әдетте ДНК, РНК үшін нуклеотидтік тізбектер немесе ақуыздар үшін аминқышқылдық тізбектер болып табылады.

Ерте кездегі зерттеулер мен генетикалық тең қашықтық

"Молекулалық сағат" тұжырымы алғаш рет 1962 жылы Эмиль Цукеркандл мен Линус Паулингке жатқызылды. Олар әртүрлі туыстас гемоглобиндердегі аминқышқылдарының саны уақыт өте келе шамамен сызықты түрде өзгеретінін байқады, бұл өзгеріс қазба қалдықтарынан алынған мәліметтермен бағаланды. Олар осы байқауды жалпылап, кез келген белгілі бір белоктың эволюциялық өзгеріс жылдамдығы уақыт өте келе және әртүрлі туыстастарда шамамен тұрақты болады деп мәлімдеді (бұл молекулалық сағат гипотезасы деп аталады). Генетикалық теңқашықтық құбылысын алғаш рет 1963 жылы Эммануэль Марголиаш атап өтті, ол былай деп жазды: "Екі түрдің цитохром c-сі арасындағы қалдық айырмашылықтарының саны көбінесе осы екі түрге әкелетін эволюциялық тарамдар бастапқыда айырылғаннан бері өткен уақытқа байланысты болып көрінеді. Егер бұл дұрыс болса, барлық сүтқоректілердің цитохром c-сі барлық құстардың цитохром c-сінен бірдей ерекше болуы керек. Балықтар омыртқалылар эволюциясының негізгі тармағынан құстар мен сүтқоректілерге қарағанда ертерек айырылғандықтан, сүтқоректілер мен құстардың цитохром c-сі балықтардың цитохром c-сінен бірдей ерекше болуы керек. Сол сияқты, барлық омыртқалы цитохром c-сі ашытқы белгісінен бірдей айырмашылықтарға ие болуы керек". Мысалы, карп пен бақа, тасбақа, тауық, қоян және жылқының цитохром c-сі арасындағы айырмашылық 13%-дан 14%-ға дейін тұрақты. Сол сияқты, бактерияның цитохром c-сі мен ашытқы, бидай, көбелек, тунец, көгершін және жылқы арасындағы айырмашылық 64%-дан 69%-ға дейін құрайды. Эмиль Цукеркандл мен Линус Паулингтің жұмыстарымен бірге генетикалық теңқашықтық нәтижесі 1960-шы жылдардың басында молекулалық сағат гипотезасының ресми тұжырымына тікелей себеп болды. Сол сияқты, Винсент Сарих пен Аллан Уилсон 1967 жылы альбумин белоктарындағы қазіргі приматтар арасындағы молекулалық айырмашылықтар олар бағалаған барлық туыстастарда шамамен тұрақты өзгерістер болғанын көрсетті. Олардың талдауының негізгі логикасы мынада: егер бір түрдің тарамшасы ортақ ата-бабасынан бастап бауырлас түрдің тарамшасынан гөрі жылдам дамыған болса, онда сыртқы топтың (туыстығы алыс түрдің) және жылдам дамып келе жатқан түрдің арасындағы молекулалық айырмашылықтар үлкен болуы керек (өйткені бұл тарамшада көбірек молекулалық өзгерістер жинақталар еді), сыртқы топтың және баяу дамып келе жатқан түрдің арасындағы молекулалық айырмашылықтардан гөрі. Бұл әдіс салыстырмалы жылдамдық тестісі деп аталады. Сарих пен Уилсонның мақаласында, мысалы, адамның (Homo sapiens) және шимпанзенің (Pan troglodytes) альбуминдерінің иммунологиялық қиылысқан реакциялары олардың Ceboidea (Жаңа әлем маймылы) түрлерінен шамамен бірдей ерекшеленетінін көрсетті (эксперименттік қателік шегінде). Бұл олардың екеуінде де ортақ ата-бабадан бері альбуминде шамамен бірдей өзгерістер болды дегенді білдіреді. Бұл үлгі барлық сыналған приматтарды салыстыру кезінде де кездесті. Бұл деректерді бірнеше жақсы құжатталған қазба тарамдық нүктелерімен (мысалы, KT шекарасынан бұрын табылған қазіргі заманғы приматтардың қазбалары жоқ) салыстырғанда, Сарих пен Уилсон адам мен шимпанзе арасындағы айырылу шамамен 4-6 миллион жыл бұрын болды деген қорытындыға келді.

Бейтарап теориямен байланысы

Молекулалық өзгерістердің сағат сияқты жылдамдығын байқау бастапқыда таза құбылыстық сипатта болды. Кейін Мотоо Кимураның жұмысы молекулалық эволюцияның бейтарап теориясын дамытты, ол молекулалық сағатты болжады. N жеке тұлға болсын, және бұл есептеуді жеңілдету үшін, жеке тұлғалар гаплоидты болсын (яғни, әр геннің бір данасы болсын). Жаңа жеке тұлғадағы бейтарап мутациялардың (яғни, жарамдылыққа әсер етпейтін мутациялардың) жылдамдығы болсын. Онда бұл жаңа мутацияның популяцияда бекітілу ықтималдығы 1/N болады, себебі геннің әр данасы басқасына балама болады. Әр ұрпақта әр жеке тұлғада жаңа мутациялар пайда болуы мүмкін, сондықтан бүкіл популяцияда N жаңа бейтарап мутация болады. Демек, әр ұрпақта жаңа бейтарап мутациялар бекітіледі. Егер молекулалық эволюция барысында көрінетін өзгерістердің көп бөлігі бейтарап болса, онда популяциядағы бекітілулер индивидтегі бейтарап мутациялар жылдамдығына тең сағат жылдамдығымен жинақталады.

Калибрлеу

Дивергенция уақытын бағалау үшін молекулалық сағаттарды пайдалану үшін, молекулалық сағаттарды "калибрлеу" қажет. Өйткені молекулалық деректердің өзінде абсолютті уақыт туралы ешқандай ақпарат жоқ. Вирустық филогенетика және ежелгі ДНК зерттеулері – эволюциялық биологияның екі саласы, онда эволюциялық уақыт шкаласы бойынша үлгілерді алу мүмкін – аралық үлгілердің күндерін молекулалық сағатты калибрлеу үшін пайдалануға болады. Дегенмен, көптеген филогениялар молекулалық сағатты қазба қалдықтары сияқты күндер туралы тәуелсіз деректерді пайдалану арқылы калибрлеуді қажет етеді. Молекулалық сағатты қазбаларды пайдалану арқылы калибрлеудің екі негізгі әдісі бар: түйін калибрлеу және ұш калибрлеу.

Тораптарды калибрлеу

Кейде түйінмен даталау деп те аталатын түйін калибрлеуі – бұл филогенетикалық ағаштардың уақыт масштабын өлшеу әдісі, онда ағаштағы бір немесе бірнеше түйіндер үшін уақыт шектеулері беріледі. Сағатты калибрлеудің алғашқы әдістері тек бір ғана қазба шектеуін пайдаланды (мысалы, параметрлік емес жылдамдық тегістеу), бірақ жаңа әдістер (BEAST) молекулалық сағаттарды калибрлеу үшін бірнеше қазбаларды қолдануға мүмкіндік береді. Кладтың ең көне қазбасы, осы кладтың ең соңғы ортақ ата-тегін көрсететін түйіннің ең төменгі жасын анықтау үшін қолданылады. Дегенмен, қазбалардың толық сақталмауы және басқа факторларға байланысты, кладтар көбінесе олардың ең көне қазбаларынан көне болады. Балама ретінде, ең жоғары және ең төменгі шектердің орнына, кладтың жасы туралы белгісіздікті көрсету үшін ықтималдық тығыздығы қолданылуы мүмкін. Бұл калибрлеу тығыздықтары стандартты ықтималдық тығыздықтарының пішінін алады (мысалы, қалыпты, логнормальды, экспоненциалдық, гамма), оларды дивергенция уақытын бағалаумен байланысты белгісіздікті білдіру үшін пайдалануға болады. Ықтималдық үлестірілімінің пішіні мен параметрлерін анықтау оңай емес, бірақ ең көне қазбаны ғана емес, сонымен қатар калибрлеу тығыздықтарын эмпирикалық түрде бағалау үшін кладтардың қазба жазбаларының үлкен үлгісін пайдаланатын әдістер бар. Зерттеулер көрсеткендей, қазба шектеулерінің санының артуы дивергенция уақытын бағалаудың дәлдігін арттырады.

Ұшыны калибрлеу

Кейде "ұшпен санау" деп аталатын, ұшпен калибрлеу – молекулалық сағатты калибрлеу әдісі, онда қазбалар таксондар ретінде қарастырылып, филогенетикалық ағаштың ұштарына орналастырылады. Бұл, қазіргі кездегі таксондардың молекулалық деректер жиынтығымен қатар, жойылған және қазіргі таксондардың морфологиялық деректер жиынтығын қамтитын матрица жасау арқылы жүзеге асырылады. Геологиялық жазбаларда жақсы құжатталған және мерзімделген ежелгі популяциялардың кеңеюі, молекулалық эволюция жылдамдығын түйін калибрлеуіне ұқсас тәсілмен калибрлеу үшін қолданылуы мүмкін. Алайда, түйіннің белгілі жасынан калибрлеудің орнына, кеңею калибрлеуі тұрақты популяция мөлшерінің екі кезеңдік моделін қолданады, одан кейін популяцияның өсуі жүреді, ал кезеңдер арасындағы ауысу уақыты калибрлеу үшін маңызды параметр болып табылады. Кеңею калибрлеуі, түйін калибрлеуімен салыстырғанда, қысқа, түр ішіндегі уақыт шкалаларында жұмыс істейді, себебі кеңеюлерді тек зертене жатқан түрдің ең соңғы ортақ ата-тегінен кейін ғана анықтауға болады. Кеңею мерзімдемесі молекулалық сағат жылдамдығының қысқа мерзімде өсуі мүмкін екенін көрсету үшін қолданылған. FBD моделі жаңалыққа ие, себебі ол "көрсетілген ата-тектерге" мүмкіндік береді, яғни тірі таксонның немесе туыстың тікелей ата-тегі болып табылатын қазба таксондары. Бұл қазбаларды тек ұштарға ғана шектеліп қалудың орнына, тірі организмнің тармағында, жоғары орналастыруға мүмкіндік береді.

Әдістер

Байес әдістері дивергенция уақытын бағалауда дәлірек нәтижелер бере алады, әсіресе филогеномика сияқты үлкен деректер жиынтықтары қолданылған жағдайда.

Қолданылуы

Молекулалық сағат әдісі молекулалық систематика, макроэволюция және филогенетикалық салыстырмалы әдістерде маңызды құрал болып табылады. Филогенетикалық оқиғалардың мерзімін анықтау, оның ішінде қазбалармен расталмағандарды, мысалы, қазіргі таксондардың арасындағы айырылыс уақытын бағалау, қазба қалдықтары аз организмдердегі макроэволюциялық процестерді зерттеуге мүмкіндік береді. Филогенетикалық салыстырмалы әдістер калибрленген филогенездерге көп көңіл бөледі.