Введение

Процесс изменения состава молекулярных последовательностей в клетках из поколения в поколение. Молекулярная эволюция описывает, как унаследованная ДНК и/или РНК изменяется в ходе эволюционного времени, и каковы последствия этих изменений для белков и других компонентов клеток и организмов. Молекулярная эволюция лежит в основе филогенетических подходов к описанию дерева жизни. Молекулярная эволюция пересекается с популяционной генетикой, особенно в краткосрочных масштабах времени. К темам молекулярной эволюции относятся происхождение новых генов, генетическая природа сложных признаков, генетические основы адаптации и видообразования, эволюция развития, а также закономерности и процессы, лежащие в основе геномных изменений в процессе эволюции.

История

История молекулярной эволюции начинается в начале XX века с сравнительной биохимии и использования методов, позволяющих создавать "отпечатки", таких как иммунные анализы, гель-электрофорез и бумажная хроматография в 1950-х годах для изучения гомологичных белков. Появление методов секвенирования белков позволило молекулярным биологам создавать филогении на основе сравнения последовательностей и использовать различия между гомологичными последовательностями в качестве молекулярных часов для оценки времени, прошедшего с момента существования последнего общего предка. Нейтральная теория также предоставила теоретическую основу для молекулярных часов, хотя она и не является необходимой для их корректности. После 1970-х годов секвенирование нуклеиновых кислот позволило молекулярной эволюции выйти за рамки изучения белков и охватить высококонсервативные последовательности рибосомальной РНК, что стало основой для переосмысления ранней истории жизни. Эти скорости относительно постоянны во времени (например, гемоглобин эволюционирует не с той же скоростью, что и цитохром c, но гемоглобины человека, мыши и т. д. демонстрируют сопоставимые темпы эволюции), хотя быстрая эволюция по одной ветви может указывать на усиленный направленный отбор вдоль этой ветви. Очищающий отбор приводит к более медленной эволюции функционально важных областей, а аминокислотные замены, включающие схожие аминокислоты, происходят чаще, чем замены на несхожие аминокислоты. Например, рибонуклеотидредуктаза (РНР) эволюционировала множество структурных и функциональных вариантов. РНР класса I используют субъединицу ферритина и различаются по металлу, который они используют в качестве кофакторов. В РНР класса II тиильный радикал генерируется с использованием кофактора аденозилкобаламина, и эти ферменты не требуют дополнительных субъединиц (в отличие от класса I, которым они необходимы). В РНР класса III тиильный радикал генерируется с использованием S-аденозилметионина, связанного с кластером [4Fe 4S]. Таким образом, в пределах одной белковой семьи могут эволюционировать многочисленные структурные и функциональные механизмы. В исследовании, демонстрирующем принципиальную возможность, Бхаттачарья и его коллеги преобразовали миоглобин, неферментный белок, запасающий кислород, в высокоэффективную Кемп-элиминазу, используя всего три мутации. Это демонстрирует, что для радикального изменения функции белка требуется лишь небольшое количество мутаций. Направленная эволюция – это попытка конструировать белки, используя методы, вдохновленные молекулярной эволюцией.

Молекулярная эволюция в одном месте

Изменение в одном локусе начинается с новой мутации, которая может закрепиться в результате сочетания естественного отбора, генетического дрейфа и конверсии генов.

Мутация

Мутации – это постоянные, передающиеся изменения в генетическом материале (ДНК или РНК) клетки или вируса. Мутации возникают в результате ошибок в репликации ДНК во время деления клеток и под воздействием радиации, химических веществ, других стрессовых факторов окружающей среды, вирусов или транспозонов. Когда точечные мутации, затрагивающие только одну пару оснований ДНК, происходят в регионе, кодирующем белок, они характеризуются как синонимичные (не изменяющие аминокислотную последовательность) или несинонимичные. Другие типы мутаций изменяют более крупные сегменты ДНК и могут вызывать дупликации, вставки, делеции, инверсии и транслокации. Распределение частот различных видов мутаций называется «мутационным спектром» (см. Приложение B), хотя у некоторых вирусов наблюдаются более высокие скорости мутаций порядка 10−6 на сайт на поколение. Переходы (A ↔ G или C ↔ T) встречаются чаще, чем трансверсии (пурин (аденин или гуанин) ↔ пиримидин (цитозин или тимин, или в РНК, урацил)). Вероятно, наиболее распространенным типом мутации у человека является изменение длины коротких тандемных повторов (например, CAG-повторы, лежащие в основе различных мутаций, связанных с заболеваниями). Такие мутации STR могут возникать с частотой порядка 103 на поколение. Различные частоты различных типов мутаций могут играть важную роль в эволюции, создавая направленность при введении изменчивости (предвзятость появления), способствуя параллелизму, тенденциям и различиям в проходимости адаптивных ландшафтов. Мутационная предвзятость вносит систематический или предсказуемый вклад в параллельную эволюцию. С 1960-х годов считается, что геномное содержание GC отражает мутационные тенденции. Мутационные предвзятости также способствуют предвзятости использования кодонов. Хотя эти гипотезы часто связывают с нейтральной теорией, недавние теоретические и эмпирические результаты показали, что мутационные тенденции могут влиять как на нейтральную, так и на адаптивную эволюцию, создавая направленность при введении изменчивости (предвзятость появления).

Выбор

Отбор может происходить, когда аллель обеспечивает большую приспособленность, то есть большую способность к выживанию или размножению, среднему индивидууму, по сравнению с его носителями. Селекционистский подход подчеркивает, например, что смещения в использовании кодонов обусловлены, по крайней мере частично, способностью даже слабого отбора формировать молекулярную эволюцию. Отбор также может действовать на уровне генов в ущерб приспособленности организма, что приводит к внутригеномным конфликтам. Это связано с тем, что эгоистичные генетические элементы могут иметь селективное преимущество, несмотря на затраты для хозяина. Примеры таких эгоистичных элементов включают транспозоны, мейотические драйверы и эгоистичные митохондрии. Отбор можно выявить, используя отношение Ka/Ks и тест Макдональда — Крейтмана. Быстрая адаптивная эволюция часто наблюдается для генов, участвующих во внутригеномных конфликтах, сексуальной антагонистической коэволюции и иммунной системе.

Генетический дрейф

Генетический дрейф — это изменение частот аллелей из поколения в поколение, вызванное стохастическими эффектами случайной выборки в конечных популяциях. Эти эффекты могут накапливаться, пока мутация не закрепится в популяции. Для нейтральных мутаций скорость фиксации в поколение равна скорости мутирования при репликации. Таким образом, относительно постоянная скорость мутирования приводит к постоянной скорости изменений в поколение (молекулярные часы). Мутации с небольшим отрицательным отбором, коэффициент отбора которых меньше порогового значения, равного 1, деленному на эффективный размер популяции, также могут закрепиться. Многие геномные признаки связывают с накоплением почти нейтральных вредных мутаций вследствие малого эффективного размера популяции. При уменьшении эффективного размера популяции большее число мутаций будет вести себя как нейтральные из-за неэффективности отбора.

Преобразование генов

Преобразование генов происходит во время рекомбинации, когда повреждения нуклеотидов восстанавливаются с использованием гомологичного геномного региона в качестве матрицы. Этот процесс может быть направленным, то есть один аллель может иметь более высокую вероятность быть донором, чем другой, при преобразовании гена. В частности, преобразование генов с направленностью к ГК (GC) имеет тенденцию увеличивать содержание ГК в геномах, особенно в регионах с более высокой частотой рекомбинации. Также имеются данные о направленности к ГК в процессе репарации неспаренных оснований. Предполагается, что это может быть адаптацией к высокой скорости деаминирования метилцитозина, которое может приводить к переходам C→T. Динамика направленного преобразования генов напоминает динамику естественного отбора: благоприятный аллель имеет тенденцию к экспоненциальному увеличению частоты, когда он встречается редко.

Размер генома

Размер генома определяется количеством повторяющейся ДНК, а также числом генов в организме. Некоторые организмы, такие как большинство бактерий, дрозофила и арабидопсис, обладают особенно компактными геномами с небольшим содержанием повторов или некодирующей ДНК. Другие организмы, например млекопитающие или кукуруза, характеризуются большим количеством повторяющейся ДНК, длинными интронами и значительными интервалами между генами. Парадокс C-значения относится к отсутствию корреляции между «сложностью» организма и размером его генома. Объяснения этого так называемого парадокса двойственны. Во-первых, повторяющиеся генетические элементы могут составлять значительную часть генома многих организмов, тем самым увеличивая содержание ДНК в гаплоидном геноме. Повторяющиеся генетические элементы часто происходят от транспозонов. Во-вторых, число генов не обязательно отражает количество стадий развития или типов тканей в организме. Организм с небольшим числом стадий развития или типов тканей может иметь большое количество генов, влияющих на фенотипы, не связанные с развитием, что приводит к увеличению содержания генов по отношению к семействам генов развития. Нейтралистические объяснения размера генома предполагают, что при небольших размерах популяций многие мутации становятся практически нейтральными. Следовательно, в малых популяциях повторяющееся содержание и другая «мусорная» ДНК могут накапливаться, не ставя организм в невыгодное положение в конкурентной борьбе. Существует мало доказательств того, что размер генома подвергается сильному и повсеместному отбору у многоклеточных эукариот. Размер генома, независимо от содержания генов, слабо коррелирует с большинством физиологических признаков, и многие эукариоты, включая млекопитающих, содержат очень большое количество повторяющейся ДНК. Однако птицы, вероятно, подверглись сильному отбору в пользу уменьшения размера генома в ответ на изменяющиеся энергетические потребности, связанные с полетом. В отличие от людей, птицы производят эритроциты с ядрами, а увеличение размера ядра приводит к снижению уровня транспорта кислорода. Метаболизм птиц значительно выше, чем у млекопитающих, что во многом обусловлено полетом и высокими потребностями в кислороде. Поэтому у большинства птиц небольшие, компактные геномы с небольшим количеством повторяющихся элементов. Косвенные данные свидетельствуют о том, что нептичьи тероподовые динозавры – предки современных птиц – также имели уменьшенные размеры генома, что согласуется с эндотермией и высокими энергетическими потребностями для скорости бега. Многие бактерии также подверглись отбору в пользу небольшого размера генома, поскольку время репликации и потребление энергии тесно связаны с приспособленностью.

Количество и организация хромосом

У муравья Myrmecia pilosula всего одна пара хромосом, в то время как у папоротника языка змеиного Ophioglossum reticulatum – до 1260 хромосом. Количество хромосом в геноме организма не всегда связано с количеством ДНК в этом геноме. Интенсивность рекомбинации в геноме напрямую зависит от числа хромосом, обычно происходит один кроссовер на хромосому или на плечо хромосомы, в зависимости от вида. Изменения в числе хромосом могут играть важную роль в видообразовании, поскольку разное число хромосом может являться репродуктивным барьером для гибридов. Человеческая хромосома 2 образовалась в результате слияния двух хромосом шимпанзе и до сих пор содержит центральные теломеры, а также рудиментарный второй центромер. Полиплоидия, особенно аллополиплоидия, часто встречающаяся у растений, также может приводить к репродуктивной несовместимости с родительскими видами. У голубых бабочек рода Agrodiatus наблюдается разнообразие в числе хромосом – от n=10 до n=134, и они демонстрируют один из самых высоких известных темпов видообразования. Геномы инфузорий содержат каждый ген в отдельной хромосоме.

Органелы

В дополнение к ядерному геному, органеллы эндосимбионтов содержат собственный генетический материал. Митохондриальная и хлоропластная ДНК различается у разных таксонов, но белки, связанные с мембраной, особенно компоненты электрон-транспортной цепи, чаще всего кодируются в органеллах. У большинства видов хлоропласты и митохондрии наследуются по материнской линии, поскольку органеллы должны передаваться через яйцеклетку. Однако, у некоторых видов мидий известно наследование митохондрий от отца к потомству.

Истоки новых генов

Новые гены возникают в результате нескольких различных генетических механизмов, включая дупликацию генов, появление генов de novo, ретротранспозицию, формирование химерных генов, включение некодирующих последовательностей в существующий ген и усечение генов. Дупликация генов изначально приводит к избыточности. Однако дуплицированные последовательности генов могут мутировать, приобретая новые функции или специализируясь таким образом, что новый ген выполняет часть функций исходного предкового гена. Ретротранспозиция дублирует гены, копируя мРНК в ДНК и встраивая ее в геном. Ретрогены обычно встраиваются в новые геномные локусы, лишены интронов и иногда приобретают новые паттерны экспрессии и функции. Химерные гены формируются, когда дупликация, делеция или неполная ретротранспозиция объединяют фрагменты двух различных кодирующих последовательностей, создавая новую генную последовательность. Химеры часто вызывают регуляторные изменения и могут перестраивать белковые домены, создавая новые адаптивные функции. Появление генов de novo может привести к возникновению новых генов из ранее некодирующей ДНК. Например, Левин и его коллеги сообщили о происхождении пяти новых генов в геноме D. melanogaster из некодирующей ДНК. Гены de novo могут возникать либо из некодирующих последовательностей, либо из альтернативных рамок считывания, приводя к образованию перекрывающихся генов. Перекрывающиеся гены особенно распространены у вирусов. Мутация стоп-кодона в обычный кодон или сдвиг рамки считывания может привести к образованию удлиненного белка, включающего ранее некодирующую последовательность. Эволюцию генов de novo также можно моделировать в лаборатории. Например, полуслучайные последовательности генов можно отбирать по конкретным функциям. Аналогичный подход использовался для отбора случайных пептидов и коротких белков, способных компенсировать недостаток важного фермента SerB у E. coli. Действительно, такие случайные белки с селективным преимуществом могут быть созданы, что подтверждает возможность эволюции функциональных белков из нефункциональных последовательностей.

Конструктивная нейтральная эволюция

Конструктивная нейтральная эволюция (КНЭ) объясняет, что сложные системы могут возникать и распространяться в популяции благодаря нейтральным переходам, основанным на принципах избыточной ёмкости, презупрессии и рачетинга, и находит применение в самых разных областях – от происхождения сплайсосомы до сложной взаимозависимости микробных сообществ.

Журналы и общества

Общество молекулярной биологии и эволюции издает журналы "Molecular Biology and Evolution" и "Genome Biology and Evolution", а также проводит ежегодную международную конференцию. К другим журналам, посвященным молекулярной эволюции, относятся Journal of Molecular Evolution и Molecular Phylogenetics and Evolution. Исследования в области молекулярной эволюции также публикуются в журналах по генетике, молекулярной биологии, геномике, систематике и эволюционной биологии.