7. Молекулярная филогения. Принцип «нейтральной эволюции».

Молекулярная филогения- способ установления родственных связей между живыми организмами на основании изучения структуры полимерных макромолекул - ДНК, РНК и белков.

Результатом молекулярно-филогенитического анализа является построение филогенетичсекого дерева живых организмов. Филогенетическое дерево- дерево, отражающее эволюционные взаимосвязи между различными видами или другими сущностями, имеющими общего предка. Вершины филогенетического дерева делятся на три класса: листья, узлы и корень. листья – некоторый вид живого организма. узел – эволюционное событие разделения предков. корень – общий предок.

Идея «дерева» появилась в ранних взглядах на жизнь, как на процесс развития от простых форм к сложным. В наше время филогенетические деревья, как правило, реконструируются по последовательностям белков или нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) .Важно запомнить, что филогенетические деревья не обязательно не дают полного и абсолютно правильного описания эволюционной истории. Данные, на которых они основываются, содержат шум и использовать их можно лишь в подтверждение выводов полученных по другим методикам.

Этапы построения филогенетического дерева 1. Выделение биополимеров (ДНК, РНК, белок) 2. Секвенирование (определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности) 3. Первичная обработка сиквенсов 4. Построение деревьев с использованием специальных вычислительных (филогенетических) методов (принцип наибольшего правдоподобия, принцип Байеса, «максимальная экономия», «метод объединения соседей» - Neighbor-joining).

В основном, вывод дерева филогенетического анализа - это оценка филогении особенностей (то есть дерева гена), а не филогении таксона (то есть дерева видов), из которого были отобраны эти отличительные характерные особенности, хотя в идеале оба должны быть весьма близкими.

Примером глобального древа, охватывающего все крупнейшие таксоны биологического мира, является древо 16S–18S-рибосомных РНК, построенное американцем К. Вуузом. Наиболее неожиданным свойством этого древа является существование в нем трех крупнейших ветвей, объединяющих эубактерий (обычные бактерии), архей (особая группа бактерий) и эукариот (высшие ядерные организмы). До этой работы считалось, что бактерии составляют единое надцарство Prokariota, отделенное от второго надцарства – Eukariota – существенной дистанцией. В древе К. Вууза все три глобальные ветви примерно равно удалены друг от друга. Поэтому архей следует считать самостоятельным надцарством. Таким образом, К. Вууз ввел три надцарства, или домена: Bacteria, Archaea, Eucaryota. Древо К. Вууза построено на основании сиквенс-анализа генов 16S и 18S рРНК, кодируемых не только ядерными генами, но и генами клеточных органелл – митохондрий и хлоропластов. Легко заметить, что ядерная фракция рРНК кукурузы (Zea mays) попадает в ветвь эукариот, как и ожидается, а фракции из митохондрий и хлоропластов кукурузы (Zea mays mitochondrion, chloroplast) – в ветвь эубактерий. Первые молекулярные древа животного царства, основанные на анализе единичных генов и очень небольшом количестве видов, отличались низкой устойчивостью и потому вызывали мало доверия. Очень скоро стало ясно, что чем больше генов и групп животных вовлечено в анализ, тем устойчивее и надежнее становятся результаты. Исследования 77 видов, относящихся к 21 типу животных, позволили построить новейший вариант молекулярного эволюционного древа животных, основанный на рекордном количестве генов (150) и групп животных.

Теория нейтральной 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 (AT- давление). 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.