Биологический каталог




Современная генетика. Том 3

Автор Ф.Айала, Дж.Кайгер

чество информации, заключенное в длинных последовательностях ДНК, требует для анализа применения ЭВМ. Для записи одной полной последовательности длиной 60 т. п. н. (ген 0-подоб-ного глобина-рис. 16.17) необходимо 20 страниц текста по 3000 знаков на каждой. Наличие делеции и вставок затрудняет сопоставление последовательностей, содержащихся в геномах разных организмов.

В первых работах по сравнению последовательностей ДНК, так же как и в начале исследования аминокислотных последовательностей, виды анализировали попарно. Однако число гомологичных последоваа-Подобные

(^-Подобные

_TL—с=

Человек а Кролик а Человек фа Мышь а Мышь фа Курица а

Человек & Человек 5 Кролик Р Кролик ф(3 Коза J3—А Коза j3-C Коза у Коза ф& Мышь 01 Мышь 02 Мышь ф&З Мышь ф02 Мышь |31 Мышь (30 Мышь е Коза е Человек е Человеке 7 Человек Ау

Курица (3

"Т~ 20

40

80

вечают псевдогенам, пунктирные-неполным последовательностям. (По D. Hewett-Emnett et al. In: Macfomolecular Sequences in Systematic and Evolutionary Biology, ed. by M. Goodman, Plenum Press, New York, 1982, p.p. 357-405.)

100 120 Нуклеотидные замены

Рис. 26.15. Филогенетическое древо, построенное по нуклеотидной последовательности генов глобинов. Длина каждой линии соответствует числу нуклеотидных замен в каждой ветви древа. Сплошные линии от

тельностей, обнаруженных у различных видов, быстро растет, поэтому становится возможным одновременное сравнение нескольких видов, что с эволюционной точки зрения более важно. В настоящее время исследование гомологичных последовательностей оказывается более полезным при расшифровке истории отдельных семейств дуплицированных генов, например генов иммуноглобулинов или гемоглобинов, чем для реконструкции эволюционных отношений между видами.

На рис. 26.15 изображено эволюционное древо некоторых генов глобина человека, мыши, кролика, козы и курицы. Последовательности ДНК четко отражают тот факт, что степень родства курицы со всеми четырьмя млекопитающими меньше, чем у млекопитающих между собой. Это, разумеется, и без того давно известно. Обнаруживаются некоторые неожиданные факты: последовательности генов р-глобина и эмбрионального ^-глобина указывают, что коза и человек более близки друг другу, чем каждый из них по отношению к мыши. Это противоречит результатам, полученным на основе анализа аминокислотных последовательностей полипептидных цепей гемоглобинов. Как бы то ни было, нет ни малейших сомнений в том, что в ближайшем будущем изучение последовательностей ДНК позволит решить многие важные проблемы и поставит новые вопросы.

Теория нейтральности молекулярной эволюции

Реконструкция филогении по генетическим различиям основана на предположении о том, что генетическое сходство отражает сходство филогенетическое. В целом такое предположение разумно, поскольку эволюция-это процесс постепенных изменений. Однако различия в скоростях генетических изменений в различных ветвях филогенетического древа могут служить источником ошибок. Предположим, что какой-то вид А отщепился от общего предка трех видов А, В и С до того, как разошлись пути эволюции видов В и С. Предположим также, что в эволюционной линии, приведшей к возникновению вида С, изменения некоторого белка происходили намного быстрее, чем в двух других линиях. В результате может оказаться, что А и В будут более сходны по аминокислотным последовательностям данного белка, чем В и С. Филогения, построенная по данным об аминокислотных последовательностях, будет неправильной.

Сравнительно недавно Мотоо Кимура (Motoo Kimura) и некоторые другие авторы выдвинули гипотезу, согласно которой скорости аминокислотных замен в белках и нуклеотидных замен в ДНК могут быть довольно постоянными, поскольку огромное большинство таких замен селективно нейтрально. Новые аллели появляются в популяции в результате мутации. Если альтернативные аллели обладают одинаковой приспособленностью, то изменение частот аллелей из поколения в поколение будет происходить лишь за счет случайности выборки, т. е. в результате генетического дрейфа (гл. 23). Скорость, с которой осуществляются замены аллелей, будет при этбм стохастически постоянной, т. е. для каждого данного белка замены аллелей будут происходить с постоянной вероятностью. Можно показать, что эта вероятность просто равна темпу мутирования нейтральных аллелей.

Сторонники теории нейтральности молекулярной эволюции признают, что большая часть возможных мутаций любого гена вредна для их обладателей, и поэтому эти мутанты элиминируются путем естественного отбора или сохраняются при очень низкой частоте. Эволюцией морфологических, поведенческих и экологических признаков управляет в основном естественный отбор, поскольку он определяет возрастание частоты благоприятных мутаций за счет вредных. При этом, однако, предполагается, что в каждом локусе может существовать несколько благоприятных мутаций, равноценных с точки зрения их приспособленности. Эти мутации не подвержены действию естественного отбора, так как они не влияют на приспособленность своих обладателей (и не изменяют их морфологических, физиологических и поведенческих признаков). Согласно теории нейтральности, эволюция на молекулярном уровне заключается главным образом в постепенном случайном замещении одних нейтральных аллелей другими, функционально равноценными первым. Эта теория признает, что хотя благоприятные мутации существуют, они возникают чрезвычайно редко и потому не оказывают большого влияния на общую эволюционную скорость аминокислотных и нуклеотидных замен.

С математической точки зрения нейтральные аллели не обладают строго одинаковой приспособленностью, но различия в их приспособ-ленностях столь малы, что изменения их частот происходят скорее в результате дрейфа генов, а не под действием естественного отбора. Допустим, что два аллеля, А± и А2, обладают приспособленностями, равными 1 и 1 — s, где s- положительное число, меньшее единицы. Такие два аллеля называются эффективно нейтральными тогда и только тогда, когда 4Nes«l, где Ne - эффективная численность популяции (гл. 23).

Пусть теперь мы хотим найти скорость замещения нейтрального аллеля k за единицу времени в ходе эволюции. В качестве единицы времени можно выбрать один год или одно поколение. В случайно скрещивающейся популяции, состоящей из N диплоидных особей к = 2Nux, где и — частота нейтральных мутаций на одну гамету за единицу времени (время для и и к измеряется в одних единицах), а х-вероятность фиксации нейтрального мутанта. Вывод этого уровня очевиден: за единицу времени возникает 2Nu мутантов, каждый из которых фиксируется с вероятностью х.

Популяция из N особей содержит по 27V генов в каждом аутосом-ном локусе. Если аллели нейтральны, то все гены обладают равной вероятностью оказаться фиксированными, т. е. х = . Подставляя это значение х в предыдущее уравнение, получаем

Это означает, что скорость (или, иными словами, частота) замещения нейтральных аллелей в точности равна частоте, с которой нейтральные аллели возникают в результате мутации независимо от численности популяции и любых других параметров. Это не только замечательно простой, но и принципиально важный результат, если только он действительно приложим к процессу молекулярной эволюции.

Молекулярные часы эволюции

Если бы оказалось, что теория нейтральности молекулярной эволюции справедлива для многих локусов, то эволюция белков и ДНК могла бы служить своеобразными «часами» эволюции в целом. Степень генетической дифференциации видов можно было бы использовать как меру их филогенетического родства. В этом случае вполне закономерно реконструировать филогении на основе генетических различий. Более того, таким способом можно грубо оценивать реальное хронологическое время различных филогенетических событий. Предположим, что мы имеем филогенетическое древо, подобное тому, которое изображено на рис. 26.10. Если бы скорость эволюции цитохрома с оставалась все время постоянной, то число нуклеотидных замен в каждой ветви древа было бы прямо пропорционально соответствующему времени эволюции. При условии что реальное геологическое время одного события данной филогении известно из какого-либо иного источника (например, из палеонтологических данных), можно было бы определять время и всех остальных событий. Таким образом, молекулярные часы, «выверенные» по какому-то одному известному событию, можно использовать для измерения времени другого события этой филогении.

Молекулярные часы, основанные на теории нейтральности,-это, конечно, не те часы с точным механизмом, с помощью которых мы измеряем время в нашей повседневной жизни. Напротив, теория нейтральности предсказывает, что ход этих часов носит стохастический характер, сопоставимый с радиоактивным распадом. Постоянна лишь вероятность изменений в единицу времени, но и она подвержена некоторой изменчивости. Тем не менее при измерении достаточно продолжительных промежутков времени стохастические часы оказываются весьма точными. Более того, каждый ген или белок представляет собой отдельные часы, которые позволяют оценивать последовательность филогенетических событий и время, когда они происходили, независимо от других часов. Каждый ген или белок-это часы с «маятником», качающимся со своей собственной, отличной от других скоростью (для генов эта скорость задается темпом мутирования нейтральных аллелей, а для белков-см. рис. 26.11); однако все часы отсчитывают время одних и тех же эволюционных событий. Сравнивая результаты, полученные по нескольким генам или белкам, мы можем «сконструировать» вполне точные эволюционные часы.

Существуют ли вообще молекулярные часы эволюции? На этот вопрос будет получен положительный ответ, если удастся установить, что различия в числе молекулярных изменений, происшедших за равные промежутки времени эволюции, превышают изменчивость, обусловленную случайными причинами. Такое исследование послужило бы также проверкой справедливости теории нейтральности молекулярной эволюции. Эту проверку можно осуществить двумя способами. Первый способ состоит в определении числа молекулярных и

страница 46
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72

Скачать книгу "Современная генетика. Том 3" (4.14Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.09.2019)