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.
Molecular evolution describes how inherited DNA and/or RNA change over evolutionary time, and the consequences of this for proteins and other components of cells and organisms. Molecular evolution is the basis of phylogenetic approaches to describing the tree of life. Molecular evolution overlaps with population genetics, especially on shorter timescales. Topics in molecular evolution include the origins of new genes, the genetic nature of complex traits, the genetic basis of adaptation and speciation, the evolution of development, and patterns and processes underlying genomic changes during evolution.
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.