Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Молекулярная эволюция и филогенетический анализ: Учебное пособие

Голосов: 7

В книге обсуждаются принципы эволюционного анализа генетической информации. Автор знакомит читателей с теоретическими основами и практическими подходами к решению задач молекулярной эволюции и филогенетического анализа. Эта книга является первым отечественным изданием, освещающим данную область знаний. Для студентов, аспирантов и научных сотрудников биологических, медицинских и математических специальностей.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
             1.10. Гомологичные и сходные признаки, конвергенция               29

история поколения 3 нам (как мы договорились) неизвестна,
то неизвестно, где именно произошли вставки-делеции. Эти
вопросы устанавливаются в процессе выравнивания последова-
тельностей (гл. 2).


1.10. Гомологичные и сходные признаки,
      конвергенция
В разд. 1.8 подчеркивалось, что молекулярная филогенетика
анализирует гомологичные последовательности (имеющие общее
эволюционное происхождение). Наличие у нескольких организ-
мов похожих признаков не обязательно является свидетельством
общего эволюционного происхождения этих признаков и соот-
ветственно самих организмов. Классическим примером сходного,
или подобного, признака, имеющего независимое эволюционное
происхождение, является наличие крыльев у насекомых, птиц
и летучих мышей. Наличие таких сходных признаков называют
гомоплазией (homoplasy), а сами признаки — не гомологичными,
но аналогичными (analogous). Причиной гомоплазии являет-
ся конвергентная эволюция (convergent evolution, сходящаяся),
конвергенция — эволюционный процесс, при котором у нерод-
ственных организмов в процессе адаптации к одним и тем же
природным условиям независимо образуется сходный признак.
   Наличие того или иного нуклеотида (аминокислоты) в опре-
деленной позиции последовательности также является призна-


                                                 Таблица 1.6
    Дивергентная, параллельная и конвергентная эволюция

                                    Эволюция
                   дивергентная параллельная конвергентная
Родительские            1    2       1      2         1             2
последовательности
Нуклеотиды             А     А       А      А         А             T
в позиции i у роди-     £g                            £g             £g
тельских последо-      £ g                           £ g            £ g
вательностей          £ g                           £ g         £         g
                      ‡
                     £ g      c      c       c      ‡
                                                   £ g         
                                                               £           ‡
                                                                           g
Нуклеотиды          А Т      C       Т      Т     А        G   А          G
в той же позиции
у дочерних после-
довательностей


30   Глава 1. Цели, принципы и понятия молекулярной эволюции

ком. Вышеизложенные рассуждения важны для понимания того,
что схожесть между некими генетическими последовательностя-
ми, наличие у них одинаковых нуклеотидов (аминокислот) в со-
ответствующих позициях не является достаточным основанием
для заключения о гомологичности этих позиций, последователь-
ностей вообще. Наличие одного и того же нуклеотида (амино-
кислоты) может быть и результатом конвергентной эволюции.
Примеры дивергенции, конвергенции и параллельной эволюции
приведены в табл.1.6. Отметим, что на молекулярном уровне
конвергенция белковых молекул не сводится к схожести их
аминокислотных последовательностей: функциональное сходство
белков может достигаться и схожестью их архитектуры.

1.11. Естественный отбор и неодарвинизм
В рассматриваемых в разд.1.8 примерах мы исходили из то-
го, что любые мутации в родительских геномах не изменяют
приспособленности (fitness, adaptation) дочерних геномов к окру-
жающей среде — характеристик, сводящихся в конечном счете
к плодовитости родителей и их потомства. Соответственно мы
подразумевали, что все мутации имеют одинаковые, 100%-ные,
вероятности быть переданными дочерним геномам и закрепить-
ся в популяции потомков. Однако сформулированная Дарвином
теория естественного отбора исходит из того, что вероятность
закрепления (отбора) некоего наследственного признака в попу-
ляции зависит от качеств этого признака — от того, насколько
он способствует преимущественному выживанию и преимуще-
ственному производству плодовитого потомства особью, этим
признаком обладающей [Darwin, 1871]. Теория естественного
отбора, законы наследственности и динамика генов в популяции
подробно изучаются в курсах общей биологии и генетики. Если у
особи в популяции произошла мутация, и через некое время эта
мутация присутствует у всех особей этой популяции, то говорят
о закреплении, фиксации (fixation) данной мутации в популяции.
Если через некое время эта мутация отсутствует у всех особей
этой популяции, то говорят о потере (loss) или вымирании
(extinction) данной мутации в популяции.
   В современной науке эволюционные идеи Дарвина объеди-
нены с данными других наук, прежде всего — генетики, в син-
тетическую теорию эволюции, называемую неодарвинизмом.
В молекулярной эволюции неодарвинизм понимает мутацию как
единственный источник изменчивости, а факторы естественного


                      1.12. Закрепление мутации в популяции   31

отбора — как ведущие движущие силы эволюции (evolutionary
driving forces), определяющую судьбу мутаций — их преиму-
щественное закрепление или потерю. Неодарвинизм подразу-
мевает, что конкретная мутация может изменить — улучшить
или ухудшить — или не изменить приспособленность организма
к окружающей среде. Мутации, улучшающие приспособленность
организма, подвергаются действию положительного естествен-
ного отбора — эволюционным силам, факторам, направленным
на отбор такой мутации, ее преимущественное закрепление в по-
пуляции. Мутации, ухудшающие приспособленность организма,
подвергаются действию отрицательного естественного отбора —
эволюционным силам, факторам, направленным на преимуще-
ственное удаление такой мутации из популяции. Мутации, не из-
меняющие приспособленности организма к окружающей среде,
называют селективно нейтральными (neutral). Вероятность их
закрепления или удаления из популяции определяется не эво-
люционными силами, а исключительно вероятностными, стоха-
стическими процессами. Процесс изменения частоты мутации
в популяции под действием стохастических процессов называют
случайным генетическим дрейфом (random genetic drift).
   Для кодирующих нуклеотидных последовательностей основ-
ными факторами естественного отбора являются эволюционные
факторы, действующие на уровне белка. Соответственно дей-
ствию этих факторов подвергаются несинонимичные, изменя-
ющие белок, но не синонимичные замены. В целом синони-
мичные замены принято считать селективно нейтральными,
или близкими к нейтральным. Однако существуют и факторы
естественного отбора, действующие преимущественно и даже
исключительно на уровне синонимичных замен (разд. 5.2).

1.12. Закрепление мутации в популяции
Математически приспособленность некой исходной последова-
тельности (дикого типа, wild type) к окружающей среде можно
обозначить за 1, а изменение ее приспособленности после некой
мутации, селективное преимущество или селективный недоста-
ток у дочерней, мутантной последовательности — за s. В таком
случае приспособленность дочерней последовательности к окру-
жающей среде будет равна 1 + s, где s имеет положительное или
отрицательное значения для мутаций, улучшающих или ухудша-
ющих приспособленность последовательности, соответственно.
Вероятность закрепления (отбора) этой мутации в популяции, P ,


32     Глава 1. Цели, принципы и понятия молекулярной эволюции

будет зависеть от s. Теория естественного отбора подразумевает
преимущественное, но не обязательное закрепление либо уда-
ление мутации, соответственно улучшающей («полезная» мута-
ция) или ухудшающей («вредная» мутация) приспособленность.
Таким образом, даже для мутации, ухудшающей приспособ-
ленность последовательности, существует ненулевая вероятность
быть закрепленной в популяции.
   При обсуждении вероятности отбора мутации необходимо
ввести понятие эффективного размера, или численности, попу-
ляции (effective population size), Ne . В популяционной биологии
размер популяции N определяется как общее число особей
(последовательностей) в популяции. Однако (далеко) не все
они принимают участие в репродукции, соответственно — в эво-
люционных процессах. В первом приближении эффективный
размер популяции можно понимать как ту часть популяции,
которая принимает участие в размножении, соответственно —
в эволюционных процессах. Более строго понятие эффективного
размера популяции определяется как число размножающихся
особей, достаточное для описания процессов распределения ча-
стот мутаций во всей популяции при случайном генетическом
дрейфе [Wright, 1931; Wright, 1938].
   Показано, что вероятность закрепления мутации в популяции
диплоидных организмов определяется формулой
         1 − e−4Ne sq
     P =              ,
         1 − e−4Ne s
где q — начальная частота мутации в популяции [Kimura, 1962].
   Если в популяции размером N происходит одна мутация,
то ее начальная частота для диплоидных организмов будет равна
(1/2)N .
   Поскольку e−x ≈ (1 − x) при малых x, то при приближении
s к 0 (т. е. для мутаций, близких к нейтральным) P ≈ q. Таким
образом, вероятность нейтральной мутации быть зафиксирован-
ной в популяции равна ее начальной частоте. Соответственно,
чем меньше размер популяции, тем более вероятно закрепле-
ние нейтральной мутации (эффект бутылочного горлышка, см.
ниже).
   Если эффективный размер популяции равен размеру популя-
ции, уравнение для расчета вероятности закрепления мутации
в популяции диплоидных организмов можно переписать как
            1 − e−2s
     P =              .
           1 − e−4N s


                       1.12. Закрепление мутации в популяции   33

    При небольших положительных значениях s (разумно счи-
тать, что каждая отдельная мутация будет лишь незначительно
увеличивать приспособленность особи) и больших значениях N ,
P ≈ 2s. Таким образом, вероятность фиксации мутации с s = 0,01
составит 2%.
    Рассмотрим численный пример. Предположим, что в по-
пуляции, состоящей из тысячи особей, произошли мутации
с s = 0, 0,01 и −0,001. Если упрощенно предполагать, что Ne = N ,
то вероятности закрепления этих мутаций будут составлять 0,05,
2 и 0,004% соответственно. Таким образом, даже улучшающие
приспособленность организма к окружающей среде мутации
с s = 0,01 будут в 98% случаев, тем не менее, потеряны, удалены
из популяции в силу случайных событий. Даже при наличии
факторов естественного отбора, случайные события играют
значительную роль в эволюции живых систем.
    Отметим, что роль случайных событий возрастает при умень-
шении Ne . Возрастание роли случайных событий при резком
уменьшении численности популяции называют эффектом гене-
тической воронки, или бутылочного горлышка (bottleneck effect).
В предельном случае, когда от некой гетерогенной популяции
(для простоты будем рассматривать гаплоидные бесполые ор-
ганизмы) остается только одна особь — например, в результате
катастрофы, — то все имеющиеся у этой особи мутации, включая
и ухудшающие приспособленность, будут со 100%-ной вероят-
ностью закреплены в дочерней популяции. В таких случаях
говорят об эффекте основателя (founder effect) [Mayr, 1954;
Mayr, 1963]. Подобные эффекты проявляются и в случае про-
никновения ограниченного числа особей в новую восприимчивую
среду обитания, что часто происходит, например, при распро-
странении патогенов. В таких случаях победитель — имеется в
виду первый проникший в новую среду обитания — получает
все, т.е. закрепляет в дочерней популяции все имеющиеся у него
мутации. Эффект основателя наблюдается и при межвидовом пе-
реносе вирусов — скажем, парвовируса кошек собакам [Lukashov
and Goudsmit, 2001], — и при внутривидовом распространении
вируса в новую, ранее этим вирусом не пораженную, популя-
цию — скажем, при распространении вируса иммунодефицита
человека первого типа, ВИЧ-1, на территории бывшего СССР
(подробно рассмотрено в разд. 5.5.3).
    Кроме собственно вероятности закрепления мутации в попу-
ляции, важно рассмотреть и время закрепления мутации, t —
число поколений, необходимое для закрепления мутации. При


34    Глава 1. Цели, принципы и понятия молекулярной эволюции

этом следует говорить о среднем условном времени закрепления
мутации, учитывая тот факт, что большинство мутаций будет
потеряно.
   Показано, что если начальная частота мутации в популяции
диплоидных организмов составляет (1/2)N , то для нейтраль-
ных мутаций, которые в конечном счете будут закреплены
в популяции, среднее условное время закрепления t составит
4N поколений [Kimura and Ohta, 1969].
   Для мутаций с селективным преимуществом s, которые будут
закреплены в популяции, среднее условное время закрепления
составит
          2
     t=     ln(2N ) поколений.
          s
   Таким образом, для популяции диплоидных организмов чис-
ленностью в миллион особей со временем репродукции в два
года, для закрепления нейтральной мутации потребуется в сред-
нем 8 миллионов лет. Для сравнения, закрепленные в конечном
счете в этой популяции мутации с селективным преимуществом
в 0,01 будут в среднем закреплены за 5800 лет.
   Показано, что для мутации с селективным недостатком s
среднее условное время закрепления равно среднему условному
времени закрепления мутации с селективным преимуществом
s [Maruyama and Kimura, 1974]. Таким образом, закрепление
мутации с селективным недостатком в 0,01 также произойдет
в среднем за 5800 лет. Этот, на первый взгляд, парадоксальный
математический результат, тем не менее, легко понять с точки
зрения естественного отбора. Движущие силы естественного от-
бора направлены на преимущественное удаление из популяции
мутации с селективным недостатком. Однако судьба такой мута-
ции определяется и стохастическими, случайными процессами.
Если стохастические процессы в течение достаточно короткого
времени не приведут случайным образом к закреплению такой
мутации, то она будет удалена из популяции постоянно действу-
ющими факторами отрицательного отбора. Соответственно такая
мутация будет либо закреплена в популяции относительно быст-
ро, либо, в противном случае, потеряна. Таким образом, улуч-
шающие и ухудшающие приспособленность организма мутации
с одинаковым по модулю значением s будут в среднем условно
закреплены за одинаковое время. Однако процент улучшающих
приспособленность мутаций, закрепленных в популяции, будет
              ´
значительно бoльшим.


             1.14. Нейтральная теория молекулярной эволюции   35

1.13. Концепция молекулярных часов
Поскольку ошибки, происходящие при репликации генетическо-
го материала, могут происходить при каждом цикле реплика-
ции, то, чем больше проходит этих циклов, тем больше может
произойти ошибок, мутаций. Кроме того, закрепление мутации
в популяции занимает определенное время. Таким образом, чем
больше времени проходит после момента дивергенции после-
довательностей, форм жизни, тем, в общем случае, больше
эволюционных различий будет наблюдаться между ними.
   Впервые этот феномен был отмечен при анализе аминокис-
лотных последовательностей гемоглобина и цитохрома С у раз-
личных организмов [Zuckerkandl and Pauling, 1962; Margoliash,
1963]. В дальнейшем Цукеркандль и Полинг сформулировали
концепцию существования молекулярных часов (molecular clock)
в эволюции живых систем [Zuckerkandl and Pauling, 1965].
Эта концепция утверждает, что для конкретной генетической
последовательности скорость эволюции постоянна во времени
и одинакова у всех дочерних последовательностей, т. е. во
всех нисходящих эволюционных линиях. Иначе говоря, если
известно, что дивергенция двух различающихся между собой
на один нуклеотид последовательностей произошла 10 лет тому
назад, то дивергенция между этими двумя последовательно-
стями и третьей последовательностью, имеющей два отличия
от них, произошла 20 лет тому назад (доверительный интервал
для этой даты может быть рассчитан с помощью соответству-
ющего математического аппарата).
   Математические подходы, основанные на концепции моле-
кулярных часов, широко используются при изучении филоге-
нетических отношений между формами жизни и датировании
эволюционных событий. Вопросы, связанные с анализом моле-
кулярных часов, подробно разбираются в разд.5.3.


1.14. Нейтральная теория молекулярной эволюции
В конце 1960-х гг. Кимура [Kimura, 1968] и независимо
от него — Кинг и Джукс [King and Jukes, 1969] сформулирова-
ли гипотезу, получившую впоследствии название нейтральной
теории молекулярной эволюции (neutral theory of molecular
evolution) [Kimura, 1983]. Книга Кимуры переведена на русский
язык [Кимура, 1985]. В отличие от (традиционно понимаемого)
дарвинизма, нейтральная теория молекулярной эволюции посту-


36   Глава 1. Цели, принципы и понятия молекулярной эволюции

лирует, что на молекулярном уровне подавляющее большинство
эволюционных изменений (практически — все изменения) опре-
деляются не действием факторов положительного отбора, а слу-
чайным генетическим дрейфом селективно нейтральных (или
близких к таковым) мутаций. Согласно нейтральной теории,
судьба мутаций в популяции определяется исключительно сто-
хастическими процессами. Генетическая гетерогенность любой
популяции, таким образом, в любой момент времени представ-
ляет собой переходное состояние, некий разрез динамического
процесса, в котором каждая конкретная мутация находится
на пути либо к ее закреплению в популяции, либо к ее потере.
Соответственно, с точки зрения нейтральной теории молеку-
лярной эволюции, любая конкретная наблюдаемая генетическая
гетерогенность популяции по своей сути преходяща.
   Теория нейтральной эволюции в значительной степени ба-
зируется на экспериментальных данных о молекулярных часах
в эволюции живых систем (хотя, по мнению автора этой книги,
существование молекулярных часов можно понять и принять
и с точки зрения дарвинизма).
   Теория нейтральной эволюции вызвала (и продолжает вы-
зывать) значительную критику со стороны (традиционных) дар-
винистов, но одновременно явилась катализатором становления
и развития многих идей и методов, лежащих в основе совре-
менного эволюционного анализа. Если эволюция (в значительной
степени) определяется стохастическими процессами, то для опи-
сания, анализа эволюционного процесса должен и может быть
применен имеющийся математический аппарат, описывающий
случайные процессы, теория вероятности.
   До сегодняшнего времени нейтральную теорию молекулярной
эволюции принято противопоставлять неодарвинизму. Пример
дискуссии между этими направлениями обсужден в разд.5.2.1.
Однако, по мнению автора этой книги, эти два направления
эволюционного учения можно и следует понимать не как проти-
востоящие, взаимоисключающие, но как дополняющие, обогаща-
ющие друг друга. Обе теории исходят из того, что большинство
новых мутаций ухудшают приспособленность организма, быст-
ро теряются в популяции и, таким образом, не наблюдаются
при эволюционном анализе. Далее, неодарвинизм не постулирует
обязательного отбора мутаций, улучшающих приспособленность
организма, но говорит о преимущественном их закреплении
в популяции. Как обсуждалось в разд.1.12, улучшающие при-
способленность организма к окружающей среде мутации могут


                            1.15. Эволюционная систематика   37

быть, тем не менее (и даже — в подавляющем большинстве слу-
чаев), потеряны. Таким образом, их судьба с точки зрения и нео-
дарвинизма, и теории нейтральной эволюции, в значительной
степени определяется стохастическими процессами. С другой
стороны, нейтральная теория не отрицает наличия мутаций,
улучшающих приспособленность организма, не утверждает, что
абсолютно все закрепленные мутации являются нейтральными,
но постулирует, что таких мутаций — (подавляющее) большин-
ство.

1.15. Эволюционная систематика
Как отмечалось в разд. 1.1, одной из ключевых задач молеку-
лярной эволюции как науки является создание классификации
форм жизни — систематики, таксономии.
   Безусловно, понимание необходимости и стремление решить
эту задачу существовали задолго до начала молекулярной эры
в биологии. Еще Линнеем были сформулированы принципы
систематики растений, живых (и неживых — минералы) систем
вообще [Linnaei, 1735]. Не останавливаясь подробно на анализе
предложений Линнея, описанных в имеющейся учебной литера-
туре, отметим ключевое для нашей книги положение: при раз-
работке классификации форм жизни целью Линнея было исклю-
чительно облегчение идентификации растений и животных как
представителей либо нового, либо уже известного вида, рода,
семейства и т. д. После изучения морфологических признаков
некоего организма, он мог быть легко классифицирован путем
сравнения выявленных признаков с описанными для известных
видов. Принципы систематики Линнея, ее последующее разви-
тие базировались исключительно на установлении схожести
наблюдаемых морфологических признаков форм жизни, но
не на установлении их общего эволюционного происхождения.
Одним из классических примеров здесь является использование
наличия у животных копыт как важного классифицирующего
признака, в связи с чем выделялась группа копытных животных
(надотряд Ungulata), объединявшая в том числе парнокопытных
коров (отряд Artiodactyla) и непарнокопытных лошадей (отряд
Perissodactyla). Наличие копыт у некоего нового вида животных
позволяло классифицировать этот вид как представителя группы
копытных с последующей более детальной классификацией
на основании других морфологических признаков (включая
и число копыт).


38   Глава 1. Цели, принципы и понятия молекулярной эволюции

   Предложенные Линнеем подходы к систематике не базирова-
лись, и не могли базироваться, на принципе общего эволюцион-
ного происхождения форм жизни. Доминировавшая во времена
Линнея догма о неизменности видов, полностью им разделяемая,
делала невозможным саму постановку вопроса об эволюционных
отношениях между формами жизни, их филогении.
   По мере развития палеонтологии, показавшей изменение
форм жизни, и эволюционного учения вообще, линнеевские
принципы систематики смогли достаточно просто (бесконфликт-
но и быстро, в отличие от ряда других направлений биологии)
учесть идеи об изменчивости видов. Принципы Линнея стали
применяться и для описания ископаемых останков, окамене-
лостей (fossils), систематики вымерших организмов как пред-
ставителей той или иной группы существующих организмов
(или новой группы) на основании анализа морфологических
признаков. Однако сам подход к систематике остался при этом
прежним.
   Только в середине ХХ века Хеннигом были сформулированы
принципиально новые идеи о том, что в основе классификации
форм жизни должны лежать родственные, эволюционные отно-
шения между ними: классификация должна быть филогенети-
ческой [Hennig, 1950]. Для этого подхода Хенниг предложил
термин «кладистика» (cladistics), в отличие от традиционно-
го, фенетического, подхода (phenetics). Так, копыта у парно-
и непарнокопытных животных имеют различное эволюционное
происхождение, соответственно — наличие копыт не дает ника-
ких оснований для выделения группы копытных животных. Эво-
люционно парнокопытные гораздо более родственны, скажем,
китам (отряд Cetacea), чем лошадям. Более подробно различия
между кладистикой и фенетикой обсуждены в разд. 4.7.
   Несмотря на то что кладистические идеи достаточно быстро
получили широкое признание (хотя по целому ряду вопросов
споры между сторонниками фенетического и кладистического
подходов продолжаются до сих пор), их практическое примене-
ние в биологии до начала молекулярной эры было ограничено.
Понимание того, что генетические последовательности могут
быть использованы для изучения филогении форм жизни, по-
явилось сразу же после открытия структуры ДНК [Crick, 1958].
Однако только развитие методов быстрого получения и анализа
большого объема генетической информации за последние два
десятилетия предоставило широкие возможности для эволюци-
онного анализа генетического материала. Подчеркнем, что мор-



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика