Molekulární evoluce je věda , která studuje proces změny sekvencí monomerů v molekulách biopolymerů v živých organismech, konkrétně DNA , RNA a proteinů [1] . Molekulární evoluce čerpá z principů evoluční biologie , molekulární biologie a populační genetiky . Úkolem molekulární evoluce je vysvětlit vzorce takových změn. Molekulární evoluce se zabývá mechanismy akumulace změn molekulami a mechanismy fixace těchto změn v populacích, stejně jako problémy speciace [1] .
Molekulární evoluce má úzké spojení s vědními obory:
Existují následující metody molekulární biologie :
Hlavním zdrojem akumulace změn v genetickém materiálu jsou genomické změny. Hlavní mechanismy evoluce genomu jsou následující:
Hlavní článek: Mutace
Mutace je trvalá změna v genomu. Mutace jsou výsledkem chyb replikace , vystavení radiaci , mutagenním chemikáliím, jako je kolchicin a epoxybenzanthracen , nebo jiným typům biologického stresu, vystavení transposonům nebo virům . Mutace se dělí na genomové, genové a chromozomální. Genové mutace jsou změny, ke kterým dochází v rámci jednoho jediného genu . Chromozomální mutace ovlivňují úseky jednoho chromozomu . Genomové mutace ovlivňují celé chromozomy [5] . Většina mutací se vyskytuje jako jednonukleotidové polymorfismy, což jsou jednonukleotidové substituce , které vedou k bodovým mutacím. Jiné typy mutací mají za následek modifikaci velkých fragmentů DNA a mohou způsobit duplikace , delece , inzerce , inverze nebo translokace .
Většina organismů je charakterizována korespondencí mezi typem mutací a složením GC. Přechody (mutace, kdy je purinová báze nahrazena jiným purinem a pyrimidinová báze jiným pyrimidinem) jsou častější než transverze (mutace, kdy je purin nahrazen pyrimidinem a naopak) [6] . Necharakteristické jsou také mutace, při kterých se mění aminokyselina v konečném proteinu translačního produktu . Mutagenní proces je stochastický. Mutace se objevují náhodně. Pravděpodobnost mutace vyskytující se v jednom nukleotidovém místě je velmi malá a činí přibližně jedno místo pro jednu generaci pro různé organismy. Některé viry se zároveň vyznačují vyšší mírou mutací, pravděpodobnost, že mutace dosáhne . Mezi všemi mutacemi lze rozlišit neutrální a pozitivní. které nejsou eliminovány z populace , ačkoli některé z nich mohou být odstraněny genetickým driftem . Zbývající mutace jsou negativní a jsou eliminovány z populace v průběhu přirozeného výběru. Protože jsou mutace extrémně vzácné, hromadí se velmi pomalu. Zatímco počet mutací, které se objeví v jedné generaci, se může lišit, po dlouhou dobu se mutace pravidelně hromadí. Pomocí průměrného počtu mutací za generaci a rozdílu mezi dvěma nukleotidovými sekvencemi je možné odhadnout dobu evoluce pomocí molekulárních hodin [7] .
Hlavní článek: Rekombinace
Rekombinace je proces, který vede k výměně nukleotidových sekvencí mezi chromozomy nebo oblastmi chromozomů. Rekombinace působí proti fyzickému spojení mezi sousedními geny. Výsledkem je, že nezávislá dědičnost genů vede k efektivnější selekci, což znamená, že oblasti s vyšší úrovní rekombinace budou mít méně škodlivých mutací, více evolučně upřednostňovaných variant a méně chyb v replikaci a opravě. Rekombinace může také generovat určité typy mutací, pokud chromozomy nejsou zarovnány [8] .
Hlavní článek: Mobilní prvky
Transponovatelné prvky tvoří významnou část genomu a jsou reprezentovány transpozony , retrotranspasony a opakujícími se prvky. Normálně je aktivita pohyblivých prvků potlačena pomocí piRNA , metylace DNA . Za stresových situací a změn v epigenetické krajině buňky se však mobilní prvky začnou přesouvat nebo se kopírovat do nových částí genomu. Transpozony mohou ovlivnit strukturu a funkci genů a epigenetickou kontrolu jejich exprese . Zejména inzerce transpozonu do genu může vést k posunu čtecího rámce a jeho rozpadu. Takové nepracující geny unikají tlaku přirozeného výběru a rychle akumulují mutace, stávají se pseudogeny . Často aktivita retrotranspozonů vede ke genové duplikaci [9] .
Hlavní článek: Alternativní spojování
Nekódující sekvence, které jsou transkribovány spolu s genem, ale následně jsou odstraněny z primárního transkriptu, se nazývají introny . Introny se nacházejí u všech eukaryot a až na výjimky chybí u prokaryot . Během zpracování RNA dochází k sestřihu , v důsledku čehož jsou introny vyříznuty a zbývající kódující oblasti ( exony ) jsou fúzovány do jedné molekuly. Při alternativním sestřihu ne všechny exony spadají do zralé mRNA a z jednoho transkriptu lze získat několik různých mRNA , z nichž každá bude odpovídat svému vlastnímu proteinu. Alternativní sestřih je považován za velmi důležitý krok ke zvýšení evoluční flexibility eukaryot, neboť v případě mutací, které vedou ke vzniku nových exonů, se objeví nová izoforma genu bez ztráty původního proteinu. [10] Exon shuffling hraje důležitou roli při vytváření nových genových struktur [11] .
Pseudogeny jsou dříve fungující geny, které se z nějakého důvodu přestaly projevovat. Zastavení exprese může být způsobeno mutacemi v promotorové oblasti , ztrátou start kodonu , posunem čtecího rámce nebo částečnou delecí genu. K pseudogenizaci genu obvykle dochází při jeho duplikaci. Někdy duplikace neovlivňuje promotorovou oblast genu, takže kopie nemůže být exprimována od samého začátku. Úplnou duplikací genu se také jedna z kopií dostane z evolučního tlaku a může se stát pseudogenem [12] .
Hlavní článek: Horizontální přenos genů
Horizontální přenos genů je přenos genetického materiálu do organismu, který není potomkem. Takový evoluční mechanismus je rozšířen mezi prokaryoty, ale vyskytuje se i u eukaryotických organismů [13] .
Prokaryota se vyznačují přítomností plazmidů – malé kruhové DNA schopné autonomní replikace z buňky . Velikost plazmidů se pohybuje od 1 do 600 tisíc bp. Výměna plazmidu je důležitým mechanismem pro horizontální přenos genů u prokaryot a může k ní dojít dvěma způsoby. Za prvé, plazmid může být zachycen bakteriemi z prostředí bez přímého kontaktu s primárním nosičem plazmidu. Takovému zachycení se říká transformace . Transformace je široce používána v molekulární biologii, zejména pro klonování cílových genů do prokaryotické buňky. Za druhé, plazmid lze přenést pomocí konjugace , při které bakterie vytvoří pár a přes speciální pili přenese jedna z bakterií kopii svého F-plazmidu [14] .
Kromě přenosu plazmidu se horizontální přenos provádí u bakterií transdukcí . Proces spočívá v přenosu segmentů DNA mezi buňkami pomocí bakteriofágů [15] .
Hlavní článek: Polyploidie
Duplikace genomu je obvykle spojena s abnormální segregací chromozomů během meiózy . Organismus vzniklý zdvojením genomu se nazývá polyploid. Polyploidy lze rozdělit do dvou skupin:
V prvních několika generacích po zdvojnásobení genomu dochází v polyploidním genomu k rozsáhlým přestavbám. Protože každý gen má dvě kopie, některé chromozomy mohou vypadnout z genomu se ztrátou pouze jedné genové varianty [16] . Tento jev se nazývá aneuploidie . Aktivuje se také pohyb mobilních prvků. Postupem času se polyploidní genom dostává do stabilního stavu a v průběhu dalšího vývoje dochází k stratifikaci párů homeologních genů. Nejčastěji se jeden gen z páru stává pseudogenem, zatímco druhý pokračuje v plnění své původní funkce. Někdy se páry rozcházejí ve funkcích a začnou pracovat paralelně.
Polyploidie je mocný mechanismus pro sympatrickou speciaci a je rozšířená mezi houbami a rostlinami . Ojedinělé případy polyploidie se vyskytují u zvířat.
Polyploidie sehrála významnou roli ve formování mnoha moderních kvetoucích rostlin . V současné době se předpokládá, že všechny kvetoucí rostliny prošly alespoň dvěma cykly polyploidizace [17] .
Velikost genomu organismu je kromě počtu genů ovlivněna počtem opakujících se fragmentů DNA. Celková velikost genomu často nekoreluje se „složitostí“ organismu. To je způsobeno tím, že podíl transposonů v genomu může být velmi velký. Navíc počet genů také ne vždy souvisí s počtem vývojových stádií a tělesných tkání.
V současné době neexistuje žádný důkaz, že by velikost genomu byla pod přísnou selekcí u mnohobuněčných eukaryot. Velikost genomu, bez ohledu na počet genů v něm, slabě koreluje s většinou fyziologických parametrů. Významná část eukaryot, včetně savců , nese obrovské množství opakujících se prvků.
Jeden ze vzácných případů působení přirozeného výběru na zmenšení velikosti genomu byl zaznamenán u ptáků . Na rozdíl od savců mají ptačí erytrocyty jádra , která, když jsou velká, zpomalují transport kyslíku . Aby byla zachována vysoká rychlost metabolismu nezbytná pro let, byl redukován ptačí genom. Existují nepřímé důkazy, že všichni ostatní theropodi měli podobně malé genomy , což je v souladu s endotermií a vysokou rychlostí metabolismu dinosaurů [18] .
Nové geny vznikají několika genetickými mechanismy, které zahrnují genovou duplikaci, retrotranspozici, tvorbu chimérických genů a použití nekódujících sekvencí.
Duplikace genů zpočátku vede k redundanci genomu. Později se mohou původně identické kopie rozptýlit a vykonávat různé funkce. Kromě duplikace genu může dojít k duplikaci pouze jedné domény proteinu, což vede k proteinu s odlišnou architekturou domény .
De novo vzhled genu může také pocházet z dříve nekódující DNA [19] . Například bylo zaznamenáno 5 případů vzniku nových genů z nekódujících sekvencí u D. melanogaster [20] . De novo geny byly také nalezeny v kvasinkách [21] , rýži [22] a lidech. Mutace v stop kodonu může vést k pozdějšímu zastavení translace transkriptu a k expanzi genu na úkor nekódující sekvence.
De novo evoluce genů může být replikována v laboratoři. Podařilo se jim například vyvinout nový gen, enterobactin esterase, který kompenzoval podobný gen deletovaný v E. coli. Nový protein nebyl příbuzný přírodnímu enzymu a byl dlouhý pouze 100 a.a. místo 400 a.o. [23] .
Existují tři hypotézy. vysvětlující molekulární evoluci. [24] [25]
Podle selekční hypotézy je právě selekce hnací silou molekulární evoluce. I když je známo, že většina mutací je neutrálních, chovatelé připisují změny ve frekvencích neutrálních alel spíše nerovnováze spojení genů, které jsou v procesu selekce, než náhodnému genetickému driftu. Rozdíl v použití kodonů se vysvětluje schopností i slabé selekce utvářet molekulární evoluci. [26] [27]
Neutrální hypotézy zdůrazňují důležitost mutací, purifikační selekce a náhodného genetického driftu. [28] Kimurovo [29 ] zavedení neutrální teorie , které následovalo po objevech Kinga a Jukese [30] , vedlo k divoké debatě o relevanci neodarwinismu na molekulární úrovni. Neutrální teorie molekulární evoluce předpokládá, že většina mutací v DNA se nachází v místech, která nejsou důležitá pro život organismu a jeho zdatnost. Tyto neutrální změny jsou v populaci pevně dané. Pozitivní změny budou velmi vzácné, a proto nebudou významně přispívat k polymorfismu DNA. [31] Škodlivé mutace příliš nepřispívají k diverzitě DNA, protože negativně ovlivňují zdatnost organismu, a proto jsou rychle odstraněny z genofondu. [32] Tato teorie je základem pro molekulární hodiny. [31] Osud neutrálních mutací je dán genetickým driftem a podporuje jak nukleotidový polymorfismus, tak pevné rozdíly mezi druhy. [33] [34]
V nejpřísnějším smyslu není neutrální teorie přesná. [35] Malé změny v DNA mají velmi často důsledky, ale někdy jsou tyto účinky příliš malé na to, aby fungoval přirozený výběr. [35] Ani synonymní mutace nemusí být nutně neutrální [35] , protože různé kodony jsou přítomny v různém množství, což ovlivňuje rychlost translace. Existuje také teorie zvaná téměř neutrální teorie. Tato teorie rozšířila perspektivu neutrální teorie tím, že navrhla, že některé mutace jsou téměř neutrální, což znamená, že jak náhodný drift, tak přirozený výběr ovlivňují dynamiku. [35] Hlavní rozdíl mezi neutrální teorií a téměř neutrální teorií je v tom, že tato teorie se zaměřuje spíše na slabý výběr než na přísně neutrální výběr. [32]
Mutační hypotéza se zaměřuje především na náhodný drift a posuny v mutačních vzorcích [36] . Sueoka byla první, kdo nabídl moderní pohled na mutace. Navrhl, že změna ve složení HC nebyla výsledkem pozitivní selekce, ale důsledkem mutačního tlaku HC [37] .
Principy molekulární evoluce byly objeveny, studovány a dále testovány amplifikací, variací a selekcí nejrychleji proliferujících a geneticky nejvariabilnějších druhů mimo buňku. Od průkopnické práce Solomona Spiegelmana v roce 1967 [38] popisující RNA, která je replikována enzymem z viru Qß [39] , vzniklo několik skupin (jako je skupina Kramers [40] a skupina Baibrecher, Loos a Eugen [41] ) studovali v 70. a 80. letech mini- a mikrovarianty této RNA, které se samy replikují během sekund nebo minut, což umožňuje sledovat stovky generací dostatečně velké velikosti (například 10^14 sekvencí o velikosti ) za jeden den experimentů.
Chemicko-kinetická analýza podrobného mechanismu replikace [42] [43] ukázala, že tento typ systému byl prvním molekulárním evolučním systémem, který lze plně charakterizovat na základě fyzikálně-chemické kinetiky, čímž vznikly první modely, které by umožnily shodu od genotypu k fenotypu. Takový model je založen na sekvenčně závislém skládání a refoldování RNA [44] .
Dokud je zachována funkce vícesložkového enzymu Qß, chemické podmínky se mohou výrazně lišit, aby bylo možné studovat vliv měnícího se prostředí a selekčního tlaku. Experimenty s kvazidruhy RNA in vitro zahrnovaly charakterizaci prahu chyb pro informaci v molekulární evoluci, objev de novo evoluce vedoucí k řadě replikujících se druhů RNA a objev prostorových pohybujících se vln jako ideálních reaktorů molekulární evoluce. vývoj. [45]
Novější experimenty použily nové kombinace enzymů k objasnění nových aspektů interagující molekulární evoluce zahrnující fitness závislou na populaci, včetně práce s uměle upravenými molekulárními modely kořist-predátor [46] a kooperativními systémy více RNA a DNA. Pro tyto studie byly vyvinuty speciální evoluční reaktory, počínaje sekvenčními přenosovými stroji, průtokovými reaktory, jako jsou stroje pro statistiku buněk, kapilární reaktory a mikroreaktory, včetně lineárních průtokových reaktorů a gelových reaktorů. Tyto studie byly doprovázeny teoretickým vývojem a modelováním zahrnujícím kinetiku skládání a replikace RNA, které objasnily důležitost vzoru korelace mezi rozmístěním sekvencí a změnami fitness, včetně role neutrálních sítí a strukturních sestav v evoluční optimalizaci. [47]
Hlavní článek: Molekulární fylogenetika
Molekulární systematika vznikla jako výsledek spojení tradiční systematiky s přístupy molekulární genetiky . Molekulární taxonomie využívá DNA, RNA nebo proteinové sekvence k řešení systematických otázek, konkrétně správné klasifikace nebo taxonomie z hlediska evoluční biologie.
Molekulární taxonomie se rozšířila díky dostupnosti technik sekvenování DNA, které umožňují stanovení specifických nukleotidových sekvencí DNA nebo RNA. Sekvenování celého genomu se nyní stále více používá pro fylogenetické studie, ale k vybudování fylogeneze obvykle stačí porovnat pouze několik 1000 bp variabilních fragmentů. Takovými variabilními fragmenty jsou často 16S rRNA u bakterií, ITS a chloroplastové markery u rostlin a mitochondriální fragmenty u zvířat.
Evoluce proteinů je studována porovnáním sekvencí a struktur proteinů z mnoha organismů odrážejících fylogeneticky vzdálené klade. Pokud jsou sekvence a struktury dvou proteinů podobné, což znamená jejich společný původ, pak se takové proteiny nazývají homologní . Pokud jsou homologní proteiny získány z různých druhů, pak se nazývají ortologové. Homologní proteiny nalezené ve stejném genomu se nazývají paralogy.
Evoluce proteinů je vždy řízena změnami v DNA genů kódujících protein. Mutace DNA však ne vždy ovlivňují proteinovou sekvenci, protože často nahrazení nukleotidu v tripletu kódujícím aminokyselinu vede ke vzniku synonomického tripletu .
Fylogenetické vztahy proteinů jsou založeny na vícenásobném srovnání sekvencí a konstrukcí fylogenetických stromů . Takové fylogenetické stromy ukazují, že vysoká sekvenční podobnost odráží evoluční blízkost proteinů.
Evoluce proteinů popisuje změny v průběhu času ve formě, funkci a struktuře proteinů. Je pozoruhodné, že rychlost změny sekvence není u různých proteinů stejná [48] . Klíčové proteiny nezbytné pro život organismu jsou obvykle konzervativnější, protože většina mutací v takových genech vede k významným poruchám fungování celého organismu a nejsou fixovány v populaci. Frekvence mutací v sekvencích jedné funkční skupiny proteinů se naopak mezi lokusy liší. V enzymech jsou zbytky aktivního místa nejkonzervovanější.
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
|