Введение Молекулярная эволюция

Введение
Молекулярная эволюция – это наука, изучающая изменения
генетических макромолекул (ДНК, РНК, белков) в процессе эволюции,
закономерности и механизмы этих изменений, а также реконструирующая
эволюционную историю генов и организмов.
Объектами исследования молекулярной эволюции являются:
1. Последовательности нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) как
носителей генетической информации.
2. Последовательности белков.
3. Структура белков.
4. Геномы организмов.
Основными задачами молекулярной эволюции являются:
1. Выявление закономерностей эволюции генетических макромолекул.
2. Реконструкция эволюционной истории генов и организмов.
Молекулярная эволюция тесно связана с такими областями науки как
палеонтология (датировка эволюционных событий), генетика (принципы
организации и передачи наследственной информации), молекулярная
биология (строение генетических макромолекул), биофизика (механизмы
функционирования генетических макромолекул), математика (построение
моделей эволюции), эволюция (общие эволюционные закономерности),
информатика (обработка и анализ данных) и биохимия (химическая природа
и превращение генетических макромолекул).
Предпосылки
возникновения
и
развития
молекулярной
эволюции. Возникновение и развитие молекулярной эволюции связано с
двумя предпосылками. Во-первых, это появление большого количества
экспериментальных данных по последовательностям нуклеиновых кислот и
белков, а также разработка новых теоретических методов их анализа. Первые
аминокислотные последовательности были расшифрованы в 50-е годы
прошлого столетия, нуклеотидные последовательности – в 60-е, а к
настоящему времени крупнейшие международные банки данных содержат
сведения примерно об одном миллиарде секвенированных нуклеотидов (~1,6
млн. генов и их фрагментов) и об аминокислотных последовательностях
миллионов белков. Большое число новых последовательностей белков
публикуется в постоянно пополняющемся справочном издании “Атлас
аминокислотных последовательностей и структур белков”, издаваемом М.
Дэйхофф. Несмотря на это, установленные последовательности составляют
незначительную
часть
потенциально
доступных
и
интересующих
исследователей белков. К сожалению, разные систематические группы
животных представлены в атласе очень неравномерно: большинство
последовательностей выделено у млекопитающих. Тем не менее, имеющихся
данных достаточно, чтобы определить эволюционные дистанции и скорости
эволюции некоторых структурных генов и сопоставить полученные данные с
данными морфологической эволюции.
Во-вторых, со времен Ч. Дарвина многие биологи пытались
реконструировать эволюционную историю организмов на Земле и построить
филогенетическое древо. Оптимальное решение этой проблемы возможно по
ископаемым останкам, но, к сожалению, они фрагментарные и неполные.
Поэтому большинство исследователей пользуются методами сравнительной
морфологии и физиологии. Используя достижения этих наук, классические
эволюционисты смогли предположить большинство аспектов эволюционного
развития организмов. Однако эволюционные изменения морфологических и
физиологических признаков настолько сложны, что они не позволяют
воссоздать точную картину эволюционного развития, и поэтому детали
реконструируемых филогенетических деревьев зачастую противоречивы.
Последние
достижения
молекулярной
биологии
решительно
изменили ситуацию. Со времени открытия строения нуклеиновых кислот
стало возможно изучать эволюционные связи между организмами путем
сравнения их нуклеотидных последовательностей. Такой подход имеет
некоторые
преимущества
над
классическими
физиологическими исследованиями, так как:
морфологическими
и
1. ДНК состоит из 4 типов нуклеотидов (А, Т, Ц, Г), и это может быть
использовано для сравнения любых групп организмов, включая бактерий,
протистов, грибов, растений и животных. При использовании классического
подхода такое сравнение невозможно.
2. В процессе эволюции изменения ДНК происходят более или менее
регулярно,
что
позволяет
использовать
математические
модели
для
определения изменений и сравнения ДНК филогенетически отдаленных
организмов. Оценить эволюционные изменения морфологических признаков
крайне сложно, особенно за короткий период исторического развития
органического мира.
3. Геномы всех организмов состоят из объемной последовательности
нуклеотидов
и
содержат
значительно
больше
филогенетической
информации, чем морфологические признаки.
По этим причинам следует ожидать, что молекулярная филогенетика
прояснит ситуацию по установлению многих ветвей филогенетического
древа, что невозможно было сделать при использовании классического
подхода.
Это
возможно
в
первую
высококонсервативных последовательностей
очередь
при
анализе
(например, цитохрома с),
которые оставались неизменными на протяжении длительных отрезков
геологического времени.
Систематика
является
одним
из
наиболее
спорных
разделов
биологии. Определение видов, родов, семейств и других таксономических
категорий часто довольно субъективно, и нет ничего удивительного в том,
что два эксперта, изучающие одну группу организмов (например, Drosophila)
могут быть абсолютно не согласны друг с другом в отношении ее
принадлежности к подвиду, виду, роду, семейству или ко всем категориям в
совокупности. В филогенетике гораздо меньше спорных вопросов, чем в
систематике, так как первоначально устанавливаются филогенетические
связи, а лишь затем – таксономическая категория организмов. Однако эти два
раздела биологии тесно связаны между собой, потому что классификация
организмов
отражает
их
эволюционную
историю.
В
этом
смысле,
филогенетика играет важную роль в развитии научной основы систематики,
хотя и не решает всех проблем этой науки. Последние достижения
молекулярной филогенетики открывают новое понимание различных
аспектов классификации организмов.
Следует
отметить,
что
в
отличие
от
палеонтологических
доказательств, данные молекулярной эволюции относятся только к линиям,
существующим в настоящее время. Таким образом, полученные по
аминокислотным
открывают
и
нуклеотидным
специфических
последовательностям
признаков
белков
тех
данные
вымерших
не
групп
организмов, от которых не осталось потомков.
Краткая
история
молекулярной
эволюции.
В
истории
возникновения и развития молекулярной эволюции как науки можно
выделить два этапа. На первом этапе молекулярная эволюция являлась
подразделом сравнительной биохимии, а на втором
– выделилась в
самостоятельную науку.
Возможность проводить количественное сравнение аминокислотных
последовательностей белков казалась весьма многообещающей для выяснения
эволюционного родства организмов. В 1962 г. Э. Цукеркэндл высказал мысль,
что изучение эволюции аминокислотных последовательностей белков может
дать наиболее точное представление об эволюционных взаимоотношениях и о
некоторых фундаментальных механизмах эволюции. М. Дэйхофф высказала
надежду, что с помощью новых методов будет возможным создать полное,
снабженное количественными показателями филогенетическое дерево –
историю происхождения всех видов живых существ.
При этом главной гипотезой при построении филогенетического
древа на основании молекулярных данных является постоянная частота
замен в пределах каждого набора гомологичных последовательностей. Эта
гипотеза, сформулированная Э. Цукеркэндлом и Л. Полингом, была названа
гипотезой молекулярных эволюционных часов.
В 1963 году Э. Марголиаш предложил использовать число замен,
накопившихся в белке за определенный промежуток времени, для
определения времени дивергенции видов. Впоследствии этот подход стал
использоваться и для установления времени дивергенции родов и более
крупных таксонов, а также для вычисления времени их существования. В
последующем,
проблеме
эволюционных
часов
были
посвящены
исследования Р. Дикерсона, Э. Уилсона, С. Карлсона и Т. Уайта. Р. Дикерсон
предложил единицу эволюционного времени.
В конце 60-х годов прошлого столетия были выдвинуты две
фундаментальные теории молекулярной эволюции – теория М. Кимуры и
теория Н. Суеоки.
Теория нейтральной молекулярной эволюции была предложена в
1968 г. М. Кимурой на основании данных популяционной генетики и на
установленных скоростях замещений аминокислотных остатков в ряде
белков и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Суть этой теории можно
изложить в виде пяти постулатов, первые четыре из которых – эмпирические,
а пятый – установлен теоретическим путем.
1. Скорость эволюции любого белка, выраженная через число
аминокислотных замен на сайт в год, приблизительно постоянна и одинакова
в разных филогенетических линиях, если функция и третичная структура
этого белка остаются в основном неизменными. Этот постулат формулирует
гипотезу Э. Цукеркэндла и Л. Полинга о молекулярных эволюционных часах.
2. Функционально
менее
важные
молекулы
или
их
части
эволюционируют (накапливая мутационные замены) быстрее, чем более
важные.
3. Мутационные замены, приводящие к меньшим нарушениям
структуры и функции молекулы (консервативные замены) в ходе эволюции
происходят чаще тех, которые вызывают более существенное нарушение
структуры и функции этой молекулы.
4. Появлению нового в функциональном отношении белка всегда
должна предшествовать дупликация гена.
5. Селективная элиминация вредных мутаций и случайная фиксация
селективно нейтральных или очень слабо вредных мутаций происходит в
ходе эволюции гораздо чаще, чем положительный дарвиновский отбор
благоприятных мутаций.
Н. Суеока разработал первичный вариант теории мутационного
давления в 60-е годы XX века. Данная теория, основанная на эмпирических
данных, провозгласила основной причиной возникновения генных мутаций
направленное мутационное давление. Мутационное давление, согласно Н.
Суеоке, представляет собой фактор молекулярной эволюции, дающий
материал для естественного отбора. Оно обусловлено повышенной частотой
возникновения и фиксации нуклеотидных замещений аденина и тимина на
гуанин и цитозин относительно частоты возникновения и фиксации замен
гуанина и цитозина на аденин и тимин (GC-давление), или наоборот (ATдавление).
Общим
проявлением
мутационного
давления
является
закономерное снижение или повышение уровня GC-насыщенности генома
(или хромосомы) в ряду поколений. Причины возникновения мутационного
давления до сих пор неизвестны. Это могут быть процессы дезаминирования
нуклеотидов
(ферментативного
и
спонтанного),
периодическое
возникновение ошибок в процессе репликации и репарации ДНК за счет
встраивания в цепочку ДНК 8-оксо-ГТФ или за счет дефектов работы самих
ДНК-полимераз. Теория Н. Суеоки во многом базируется на теории
нейтральной эволюции и не противоречит ее основным положениям.
С момента опубликования базовых теорий начинается второй этап
развития молекулярной эволюции как науки. Этот этап характеризуется
разработкой большого количества методов молекулярной эволюции и
филогенетики с последующим определением их эффективности при помощи
компьютерного моделирования. Среди исследователей, занимающихся этой
проблемой, следует назвать М. Нея, С. Кумара, С. Гадагкар и др. Другая
часть
исследователей
(Ш.
Йокояма,
Д.
Хэрри
и
др.)
занимается
использованием предложенных методов на практике для анализа эволюции
генетических макромолекул.
Разделы
включает
в
молекулярной
себя
два
эволюции.
основных
раздела:
Молекулярная
эволюцию
эволюция
генетических
макромолекул (собственно молекулярную эволюцию) и молекулярную
филогению.
Эволюция макромолекул изучает типы и скорости изменений,
происходящих в генетическом материале (ДНК, РНК), а также образованных
на его основе белков, и механизмы, ответственные за эти изменения.
Молекулярная
филогения
изучает
эволюционную
историю
макромолекул и организмов, получаемую на основе изучения нуклеотидных
и аминокислотных последовательностей.
Может показаться, что эти два раздела молекулярной эволюции
совершенно независимы друг от друга, поскольку целью первого является
установление причин и следствий эволюционных изменений в молекулах,
тогда как второй использует эти молекулы просто как средство для
восстановления биологической истории организмов и их генетических
составляющих. Однако на практике эволюция макромолекул и молекулярная
филогения взаимосвязаны и прогресс в одном из этих разделов способствует
исследованиям в другом. Например, знание филогении необходимо для
определения последовательности изменений в изучаемых молекулах, а
знание способов и темпов изменений изучаемой молекулы необходимо для
восстановления эволюционной истории группы организмов.
Иногда выделяют и третий раздел молекулярной эволюции пребиотическую эволюцию или "происхождение жизни". Основное отличие
этого раздела от двух других заключается в том, что он слишком
умозрителен и в гораздо меньшей степени поддается количественному
анализу. Развитие пребиотической эволюции ограничивается тем, что в
настоящее время неизвестны законы, направляющие процесс переноса
информации в пребиотических системах (т. е. системах, лишенных
реплицирующихся генов).
Изучение молекулярной эволюции базируется на двух дисциплинах:
популяционной генетике и молекулярной биологии. Популяционная генетика
дает теоретическую базу для изучения эволюционных процессов, а
молекулярная биология предоставляет опытные данные.
Методы молекулярной эволюции. Методы молекулярной эволюции
подразделяются на 2 группы:
I. Методы эволюции макромолекул:
1. Методы поиска гомологичных последовательностей в базах
данных (Blast search, PSI–Blast search и др.). Эта группа методов
предназначена
для
создания
полной
выборки
последовательностей
изучаемого белка или нуклеиновой кислоты.
2. Методы выравнивания последовательностей нуклеиновых кислот
и белков (Clustal W Protein, Multalin DNA и др.). Проведение выравнивания
необходимо
для
последующего
изучения
изменений
сравниваемых
нуклеотидных и аминокислотных последовательностей.
3. Методы
определения
картины
замещений
в
выровненных
последовательностях (композиционная дистанция, индекс несоответствия,
метод Монте–Карло и др.). Знание картины замещений в сравниваемых
последовательностях требуется для дифференцированного использования
разных методов и формул для вычисления эволюционных изменений.
4. Методы изучения эволюционных изменений аминокислотных
последовательностей (количество аминокислотных различий, р–дистанция и
др.).
5. Методы определения характера аминокислотных замен (дистанция
Грэнтхэма,
индекс
Танга
и
др.)
позволяют
установить
степень
консервативности или радикальности замен.
6. Методы
изучения
эволюционных
изменений
нуклеотидных
последовательностей (методы Джукса–Кантора, Кимуры и др.) более
информативны, так как учитывают не только меняющие аминокислоту
(собственно несинонимичные) замещения, но и молчащие (синонимичные)
замены.
7. Методы
изучения
синонимичных
и
несинонимичных
нуклеотидных замен (методы Ней–Годжобори, Кумара и др.) позволяют
проанализировать эти замены и использовать полученные данные для
проведения селекционных тестов.
8. Селекционные тесты (дифференция дистанций, ADAPSITE и др.)
служат для установления вида отбора в сравниваемых нуклеотидных и
аминокислотных последовательностях.
9. Методы изучения использования кодонов в последовательностях
нуклеиновых
кислот
(RSCU,
метод
определения
коэффициента
нейтральности Н. Суеоки и др.) необходимы для детального изучения
эволюционных изменений ДНК и РНК.
10. Вспомогательные методы (GZ–gamma, расчетное соотношение
транзиций и трансверсий и др.) позволяют получить промежуточные
величины, используемые другими методами.
II. Методы молекулярной филогении:
1. Дистанционно–матричные методы (метод связывания ближайших
соседей, метод минимальной эволюции и др.) используют для создания
филогенетических деревьев (дендрограмм) различные коэффициенты их
сходства.
2. Дискретные методы (метод максимальной парсимонии и др.)
строят дендрограммы, используя непосредственно нуклеотидные или
аминокислотные последовательности.
В
заключение
следует
отметить,
что
динамическое
развитие
молекулярной эволюции как науки обеспечивается тем, что результаты
проводимых исследований имеют важное значение: во-первых, выявление
ранее неизвестных закономерностей эволюционных изменений генетических
макромолекул способствует развитию представлений об общей стратегии
молекулярной эволюции, а также развитию фундаментальных наук. Вовторых, филогенетические исследования нуклеиновых кислот и белков, а
также построение на их основе дендрограмм важны для таксономии. Втретьих, полученные результаты могут служить основой для разработки
исследований прикладного характера, связанных с изучением механизмов
нарушения
функции
изучаемых
ферментов
и
гормонов
(алкогольдегидрогеназ, аденилатциклаз, инсулинов и др.) при различных
патологических состояниях. Важным является то, что полученные данные об
эволюционно совершенных последовательностях белков и нуклеиновых
кислот могут быть использованы для разработки практических рекомендаций
по химическому синтезу иРНК и/или генов, что найдет применение в генно–
инженерных исследованиях.