Глава 32 Молекулярная эволюция

Существует несколько биохимических методов, позволяющих количественно измерить изменения, происшедшие в гомологичных макромолекулах близко- или отдаленнородственных видов в процессе их дивергенции. Объектом таких исследований служат обычно белковые молекулы, молекулы ДНК, но иногда и другие вещества, например вторичные метаболиты растений. Молекулярные данные проливают свет на филогенетические взаимоотношения. Они породили также некоторые полезные дискуссии, которые мы здесь вкратце обсудим1.

Методы

Главными методами изучения молекулярной эволюции служат: гибридизация ДНК, иммунологические тесты (используемые для определения групп крови), определение последовательности аминокислот (для гемоглобина, миоглобина, цитохрома с и т. п.), секвенирование ДНК, электрофорез (для различных ферментов) и биохимическая систематика (использующая разного рода вторичные метаболиты растений).

Непосредственные результаты сравнительно-биохимического изучения макромолекул можно выразить количественно несколькими различными способами. Среди таких способов, позволяющих измерять степень биохимической дифференциации между разными филогенетическими линиями, отметим следующие: оценка относительной степени сродства между цепями ДНК из организмов разных видов (при исследованиях методом гибридизации ДНК); определение числа и доли замещений аминокислот в гомологичных полипептидных цепях (при изучении аминокислотных последовательностей белков); определение вероятного числа точковых мутаций, участвующих в создании наблюдаемых различий между гомологичными белками (путем экстраполяции данных об аминокислотных последовательностях белков); определение доли ферментных локусов, различающихся по электрофоретичееким свойствам (при исследовании методом электрофореза).

Представляют также интерес косвенные результаты биологических исследований. Количественная мера биохимической дифференциации между ныне живущими видами А, В, С, D независимо от того, какая именно используется мера, может быть наложена на филогенетическое древо, ветви которого заканчиваются видами А, В, С, D. Известное или выведенное геологическое время, прошедшее после дивергенции соответствующих ветвей, служит знаменателем. Сопоставляя эти две меры, мы получим количество изменения, происходящего на макромолекулярном уровне за единицу времени, или скорость молекулярной эволюции.

Различия в последовательностях аминокислот

Сходства и различия в последовательностях аминокислот в полипептидных цепях гомологичных белков, принадлежащих разным видам, могут служить определённой и количественной мерой степени молекулярной дифференциации. Сейчас уже собрано множество данных о гомологичности молекул гемоглобина, миоглобина, цитохрома с, иммуноглобулина и других белков (см. интересные обзоры Dayhoff, 1968, 1969, 1972, 1978*). Здесь мы рассмотрим лишь несколько типичных примеров.

Гемоглобин взрослого человека состоит из двух идентичных полипептидных α-цепей, двух идентичных (β-цепей и присоединенных к ним групп тема. Каждая α-цепь содержит по 141 аминокислоте, а каждая β-цепь—по 146. В гемоглобине здорового человека каждое положение в цепи занято определённой аминокислотой. Последовательность аминокислот известна. Один ген детерминирует последовательность аминокислот в α-цепях, а другой, отдельный, ген — их последовательность в β-цепях. Отметим попутно один интересный факт: хотя α- и β-цепи гемоглобина человека различаются между собой, их аминокислотные последовательности сходны и, вероятно, возникли в результате дивергенции от какой-то общей предковой полипептидной цепи (Ingram, 1963*).

Таблица 32.1. Различия в аминокислотных последовательностях гепоглобина между человеком и друдими млекопитающими
Пара видов.	Различия
	α-цепь	β-цепь
Человек — шимпанзе	0	0
Человек — горилла	1	1
Человек — макак-резус	3	5
Человек — макак	5–7	–
Человек — мышь	13–15	18
Человек — кролик	18	10
Человек — собака	16–17	10
Человек — лошадь	13	17
Человек — лама	16	14
Человек — свинья	13	16
Человек — корова	12	17
Человек — овца	15	18
Человек — коза	14–16	18–20
Человек — гривистый баран	15–16	21–23
Человек — гиганский серый кенгуру	19	26

Нас здесь больше интересует степень дифференциации гемоглобиновых цепей у разных видов. Возьмем в качестве эталона гемоглобин здорового взрослого человека. Число различий по аминокислотам между человеком и разными другими видами млекопитающих представлено в табл. 32.1, Как показывает эта таблица, у человека и у шимпанзе последовательности аминокислот и в α-, и в β-цепях идентичны. Гемоглобины человека и гориллы различаются лишь по двум аминокислотам, по одной в каждой цепи. Человек и обезьяны довольно близки друг к другу по строению гемоглобина. Различия в строении гемоглобина между человеком и представителями других отрядов млекопитающих гораздо шире — от 10 до 26% (табл. 32.1).

Гемоглобин человека отличается от гемоглобина лягушки и карпа сильнее, как и следовало ожидать. Различия в аминокислотной последовательности β-цепи между человеком и лягушкой составляют 46%, а различия в α-цепи между человеком и карпом — 50% (Dayhoff, 1972*).

Другой белок — дыхательный фермент цитохром с — локализован в митохондриях эукариотических организмов и очень удобен для сравнительно-биохимических исследований представителей разных типов и разных царств. В табл. 32.2 приведены некоторые данные относительно молекулярных различий по цитохрому с. Человек служит эталоном для одной группы сравнений, а дрозофила — для другой. Здесь снова можно отметить общую корреляцию между молекулярными различиями и степенью филогенетического родства.

Дейхоф (Dayhoff, 1969*) и её коллеги указывают, что наблюдаемое число различий в аминокислотном составе между гомологичными белками не обязательно должно быть равно числу аминокислот, действительно замещённых в процессе эволюционной дивергенции этих белков. В тех случаях, когда две полипептидные цепи различаются по многим аминокислотам, эволюционное расстояние может быть больше, чем наблюдаемые различия. Дейхоф и её коллеги предложили единицу эволюционного расстояния, названную ими РАМ-единицей (PAM-unit «accepted point mutations per 100 links», т. е. число фиксированных точковых мутаций на 100 звеньев цепи); эта единица должна служить для того, чтобы можно было дать скорректированную оценку эволюционной дивергенции на молекулярном уровне. Соотношение между наблюдаемым числом различий в аминокислотном составе на 100 звеньев цепи и эволюционным расстоянием, выраженным в РАМ-единицах, выглядит следующим образом (Dayhoff, 1969*):

Число аминокис- лотных замен	РАМ-единицы
1	1
5	5
10	11
25	31
50	83
75	208
85	370

Хьюбби и Трокмортон (Hubby, Throckmorton, 1965*) использовали электрофоретические методы для определения сходства или различия белков в группе Drosophila virilis. Было проведено сравнение многих белков и детерминирующих их генов для 10 видов, относящихся к этой группе (D. virilis, D. americana, D. texana и др.). Среди исследованных белков 60% оказались общими для всех видов этой группы. Несколько меньшая доля — белки, общие для близкородственных подгрупп. Остальная часть изученных белков специфична для каждого отдельного вида; эта доля равна 2.6% для D. virilis, 5.3% —для D. americana и достигает 28.2% для D. littoralis.

В другой серии работ, в которых использовался гель-электрофорез, 4 вида-двойника группы Drosophila willistoni сравнивали по 14—28 ферментным локусам (Ayala et al., 1970; Ayala, Tracey, 1974*). Оказалось, что эти виды различаются примерно по половине изучавшихся локусов.

Электрофоретические данные по нескольким или многим локусам для двух популяций или видов могут быть выражены через индекс, известный под названием показателя генетической идентичности (I) (Nei, 1972*). Этот показатель служит мерой доли идентичных генов у двух сравниваемых популяций или видов. Значения I лежат в пределах от 0 до 1; I=1 означает, что обе популяции содержат одни и те же аллели с одинаковыми частотами, а I = 0 — что у этих популяций нет общих аллелей (Nei, 1972*).

Таблица 32.2. Число различий в аминокислотных последовательностях цитохрома С человека и других организмов. (по данным Dauhoff, 1969*)
Виды	Число различий
Человек — макак-резус	1
Человек — лошадь	12
Человек — корова, овца	10
Человек — собака	11
Человек — кролик	9
Человек — курица, индейка	13
Человек — голубь	12
Человек — каймановая черепаха	14
Человек — гремучая змея	13
Человек — лягушка-бык	17
Человек — тунец	20
Человек — акула	23
Человек — дрозофила	27
Человек — мясная муха	25
Человек — бабочка (тутовый шелкопряд)	29
Человек — пшеница	38
Человек — Neurospora	44
Дрозофила — мясная муха	2
Дрозофила — бабочка (тутовый шелкопряд)	14
Дрозофила — пятиконечный бражник	13
Дрозофила — акула	24
Дрозофила — голубь	23
Дрозофила — пшеница	42

Пример генетической идентичности близких видов у растений рода Tragopogon представлен в табл. 32.3 (Roose, Gottlieb, 1976*). В других родах растений часто встречаются пары видов со сходными значениями I, достигающими иногда 0.9 (см. Gottlieb, 1977*).

Широко распространено допущение, что электрофоретические методы дают надёжные оценки общего сходства или дивергенции между особями или группами. Обнаруженные такими методами различия по ферментным генам считают репрезентативными для генотипа в целом. Это допущение подразумевается в коэффициентах генетической идентичности и генетического расстояния (Nei, 1972*), которые приравнивают электрофоретическую меру дифференциации к генетической.

В некоторых случаях это допущение, по-видимому, оправданно. Так, Джейн и Сингх (Jain, Singh, 1979*) обнаружили хорошее совпадение электрофоретических данных, с одной стороны, и морфологических и цитогенетических показателей родства — с другой, между 15 видами овса (Avena).

Таблица 32.3. Генетическая идентичность (I) видов Tragopodon (Compositae) (Roose, Gottlieb, 1976*)
Пара видов	I
T. dubius — T. porrifolius	0.50
T. dubius — T. pratensis	0.62
T. porrifolius — T. pratensis	0.53

Известно, однако, немало случаев несоответствия морфологических и электрофоретических данных. Примерами служат: среди животных рыбы Cyprinodon (Turner, 1974*), улитки Partula (Murray, Clarke 1980*) и гоминоиды (см. ниже); а среди растений— Hordeum (Giles, 1984*), Mimulus (Vickery, Willstein, 1987*), Tetramolopium (Crawford et al., 1987*) и Chenopodium (Walters, 1988*). В каждом из этих примеров морфологические различия между популяциями или видами довольно значительны, тогда как различия по ферментам, выявляемые методом электрофореза, невелики.

Подобные факты заставляют считать, что во многих недавних работах ценность электрофоретических данных для оценки эволюционных связей и филогении сильно преувеличивалась. Электрофоретические данные можно использовать в дополнение к морфологическим данным, но не вместо них. Такое мнение высказали Карсон (Carson, 1977*), Грант (Grant, 1977*), Мюррей и Кларке (Murray, Clarke, 1980*), Джайлз (Giles, 1984*), Викери и Вулстейн (Vickery, Willstein, 1987*).