A molekuláris evolúció egy olyan tudomány , amely az élő szervezetek biopolimer molekuláiban, nevezetesen DNS -ben, RNS -ben és fehérjékben lévő monomerek szekvenciáinak megváltoztatásának folyamatát vizsgálja [1] . A molekuláris evolúció az evolúciós biológia , a molekuláris biológia és a populációgenetika alapelveit veszi alapul . A molekuláris evolúció feladata az ilyen változások mintázatainak magyarázata. A molekuláris evolúció a változások molekulák általi felhalmozódásának és a populációkban bekövetkező változások rögzítésének mechanizmusaival, valamint a speciáció problémáival foglalkozik [1] .
A molekuláris evolúció szoros kapcsolatban áll a tudomány területeivel:
A molekuláris biológia következő módszerei léteznek :
A genetikai anyag változásainak felhalmozódásának fő forrása a genomiális változások. A genom evolúciójának fő mechanizmusai a következők:
Fő cikk: Mutációk
A mutáció a genom állandó változása. A mutációk replikációs hibákból , sugárzásnak való kitettségből , mutagén vegyi anyagokból, például kolhicinből és epoxi- benzantracénből , vagy más típusú biológiai stresszből, transzpozonoknak vagy vírusoknak való kitettségből származnak . A mutációkat genomiálisra, génre és kromoszómálisra osztják. A génmutációk egyetlen génen belül bekövetkező változások . A kromoszómamutációk egy kromoszóma szakaszait érintik . A genomiális mutációk teljes kromoszómákat érintenek [5] . A legtöbb mutáció egyetlen nukleotid polimorfizmusként fordul elő, amelyek egyetlen nukleotid szubsztitúciók , amelyek pontmutációkat eredményeznek. Más típusú mutációk nagy DNS-fragmensek módosulását eredményezik, és duplikációt , deléciót , inszerciót , inverziót vagy transzlokációt okozhatnak .
A legtöbb organizmust a mutációk típusa és a GC összetétele közötti megfelelés jellemzi. Az átmenetek (mutációk, amelyekben a purinbázist egy másik purin, egy pirimidinbázist egy másik pirimidin helyettesíti) gyakrabban fordulnak elő, mint a transzverziók (azok a mutációk, amelyekben a purint pirimidin helyettesíti, és fordítva) [6] . Nem jellemzőek azok a mutációk sem, amelyekben a végső transzlációs termék fehérjében lévő aminosav megváltozik . A mutagén folyamat sztochasztikus. A mutációk véletlenszerűen jelennek meg. Annak a valószínűsége, hogy egy mutáció egy nukleotidhelyen előfordul, nagyon kicsi, és körülbelül egy hely egy generáción keresztül különböző organizmusok esetében. Ugyanakkor egyes vírusokat magasabb mutációs ráta jellemzi, a mutáció elérésének valószínűsége . Az összes mutáció között megkülönböztethető a semleges és a pozitív. amelyek nem eliminálódnak a populációból , bár néhányuk genetikai sodródással eliminálható . A fennmaradó mutációk negatívak, és a természetes szelekció során eliminálódnak a populációból. Mivel a mutációk rendkívül ritkák, nagyon lassan halmozódnak fel. Míg az egy generációban megjelenő mutációk száma változhat, hosszú időn keresztül a mutációk rendszeresen felhalmozódnak. A mutációk generációnkénti átlagos számát és a két nukleotid szekvencia közötti különbséget felhasználva molekuláris óra segítségével megbecsülhető az evolúció ideje [7] .
Fő cikk: Rekombináció
A rekombináció az a folyamat, amely nukleotidszekvenciák cseréjét eredményezi a kromoszómák vagy a kromoszómák régiói között. A rekombináció ellensúlyozza a szomszédos gének közötti fizikai kapcsolatot. Ennek eredményeként a gének független öröklődése hatékonyabb szelekcióhoz vezet, ami azt jelenti, hogy a magasabb szintű rekombinációval rendelkező régiókban kevesebb káros mutáció, evolúciós szempontból előnyösebb változatok lesznek, és kevesebb hiba lesz a replikációban és a javításban. A rekombináció bizonyos típusú mutációkat is generálhat, ha a kromoszómák nincsenek egymáshoz igazodva [8] .
Fő cikk: Mobil elemek
A transzponálható elemek a genom jelentős részét teszik ki , és transzpozonok , retrotranszpazonok és ismétlődő elemek képviselik őket. Normális esetben a mozgó mozgó elemek aktivitását a piRNS , a DNS-metiláció elnyomja . Stresszes helyzetekben és a sejt epigenetikai tájképének változásaiban azonban a mobil elemek elkezdenek mozogni vagy a genom új részeire másolódnak. A transzpozonok befolyásolhatják a gének szerkezetét és működését, valamint expressziójuk epigenetikai szabályozását . Különösen egy transzpozon génbe történő beillesztése vezethet a leolvasási keret eltolódásához és lebomlásához. Az ilyen nem működő gének elkerülik a természetes szelekció nyomását, és gyorsan felhalmozódnak a mutációk, amelyek pszeudogénné válnak . A retrotranszpozonok aktivitása gyakran génduplikációhoz vezet [9] .
Főcikk: Alternatív toldás
Azokat a nem kódoló szekvenciákat, amelyek a génnel együtt íródnak át, de ezt követően eltávolítják az elsődleges transzkriptumból, intronoknak nevezzük . Az intronok minden eukariótában megtalálhatók , és néhány kivételtől eltekintve hiányoznak a prokariótákban . Az RNS feldolgozása során splicing megy végbe , melynek eredményeként az intronok kivágódnak, és a fennmaradó kódoló régiók ( exonok ) egy molekulává fuzionálódnak. Alternatív splicing esetén nem minden exon esik az érett mRNS - be, és egy transzkriptumból több különböző mRNS nyerhető , amelyek mindegyike a saját fehérjéjének felel meg. Az alternatív splicinget nagyon fontos lépésnek tartják az eukarióták evolúciós rugalmasságának növelése felé, hiszen az új exonok kialakulásához vezető mutációk esetén az eredeti fehérje elvesztése nélkül új génizoforma jelenik meg. [10] Az exonkeverés fontos szerepet játszik az új génstruktúrák létrehozásában [11] .
A pszeudogének korábban működő gének, amelyek valamilyen oknál fogva megszűntek kifejeződni. Az expresszió leállása a promoter régió mutációinak, a start kodon elvesztésének , kereteltolódásnak vagy a gén részleges deléciójának tudható be . Egy gén pszeudogenizációja általában a megkettőződése során megy végbe. Előfordul, hogy a duplikáció nem érinti a gén promóter régióját, így a másolat nem expresszálható a kezdetektől fogva. Egy gén teljes megkettőződése esetén az egyik kópia is kikerül az evolúciós nyomás alól, és pszeudogénné válhat [12] .
Főcikk: Vízszintes géntranszfer
A horizontális géntranszfer a genetikai anyag átvitele egy nem leszármazott szervezetbe. Egy ilyen evolúciós mechanizmus elterjedt a prokarióták között, de előfordul az eukarióta szervezetekben is [13] .
A prokariótákra jellemző a plazmidok jelenléte -- kis , cirkuláris DNS , amely képes autonóm replikációra a sejtből . A plazmidok mérete 1 és 600 ezer bp között van. A plazmidcsere a horizontális géntranszfer fontos mechanizmusa prokariótákban, és kétféleképpen fordulhat elő. Először is, a plazmidot a baktériumok befoghatják a környezetből anélkül, hogy közvetlenül érintkeznének a plazmid elsődleges hordozójával. Az ilyen rögzítést transzformációnak nevezzük . A transzformációt széles körben alkalmazzák a molekuláris biológiában, különösen a célgének prokarióta sejtté való klónozására . Másodszor, a plazmidot konjugációval lehet átvinni , amelyben a baktériumok egy párt alkotnak, és egy speciális piluson keresztül az egyik baktérium átviszi F-plazmidjának másolatát [14] .
A plazmidtranszfer mellett a vízszintes átvitel transzdukcióval valósul meg a baktériumokban . A folyamat a DNS-szakaszok sejtek közötti bakteriofágok segítségével történő átviteléből áll [15] .
Főcikk : Poliploidia
A genomduplikáció általában a meiózis során fellépő kóros kromoszóma szegregációhoz kapcsolódik . A genom megkettőződéséből származó organizmust poliploidnak nevezzük. A poliploidok két csoportra oszthatók:
A genom megduplázódása utáni első néhány generációban nagy léptékű átrendeződések mennek végbe a poliploid genomban. Mivel minden génnek két másolata van, egyes kromoszómák kieshetnek a genomból egyetlen génváltozat elvesztésével [16] . Ezt a jelenséget aneuploidiának nevezik . A mobil elemek mozgása is aktiválódik. Idővel a poliploid genom stabil állapotba kerül, és a további evolúció során a homeológ génpárok rétegződnek. Leggyakrabban egy párból származó gén pszeudogénné válik, míg a második továbbra is ellátja eredeti funkcióját. Néha a párok eltérnek egymástól, és párhuzamosan kezdenek dolgozni.
A poliploidia a szimpatikus fajok kialakulásának hatékony mechanizmusa, és széles körben elterjedt a gombák és növények körében . A poliploidia izolált esetei állatokban fordulnak elő.
A poliploidia jelentős szerepet játszott számos modern virágos növény kialakulásában . Jelenleg úgy gondolják, hogy minden virágzó növény legalább két poliploidizációs cikluson ment keresztül [17] .
Egy szervezet genomjának méretét a gének számán kívül az ismétlődő DNS-fragmensek száma is befolyásolja. A genom teljes mérete gyakran nem korrelál a szervezet „összetettségével”. Ez annak köszönhető, hogy a transzpozonok aránya a genomban igen nagy lehet. Ráadásul a gének száma sem mindig függ össze a fejlődési szakaszok és a testszövetek számával.
Jelenleg nincs bizonyíték arra, hogy a genom mérete szigorú szelekció alatt állna a többsejtű eukariótákban. A genom mérete, függetlenül a benne lévő gének számától, gyengén korrelál a legtöbb fiziológiai paraméterrel. Az eukarióták jelentős része, beleértve az emlősöket is, hatalmas számú ismétlődő elemet hordoz.
A természetes szelekció egyik ritka esetét a genom méretének csökkentésére figyelték meg madarakban . Az emlősöktől eltérően a madarak eritrocitáinak magjai vannak , amelyek nagy méretük esetén lelassítják az oxigénszállítást . A repüléshez szükséges magas anyagcsere-sebesség fenntartása érdekében a madár genomját csökkentették. Közvetett bizonyítékok vannak arra vonatkozóan, hogy az összes többi theropodának hasonlóan kicsi a genomja , ami összhangban van az endotermiával és a dinoszauruszok magas metabolikus sebességével [18] .
Az új gének számos genetikai mechanizmus révén keletkeznek, ideértve a génduplikációt, a retrotranszpozíciót, a kiméra gének képződését és a nem kódoló szekvenciák használatát.
A génduplikáció kezdetben a genom redundanciájához vezet. Később az eredetileg azonos másolatok szétszóródhatnak és különböző funkciókat látnak el. Egy gén megkettőződése mellett egy fehérje csak egy doménjének duplikációja fordulhat elő, ami eltérő doménarchitektúrával rendelkező fehérjét eredményez .
Egy gén de novo megjelenése származhat korábban nem kódoló DNS-ből is [19] . Például 5 olyan esetet jegyeztek fel, amikor a D. melanogaster nem kódoló szekvenciáiból új gének jelentek meg [20] . De novo géneket találtak élesztőben [21] , rizsben [22] és emberben is. A stopkodon mutációja a transzkriptum transzlációjának későbbi leállításához és a génkiterjedéshez vezethet a nem kódoló szekvencia rovására.
A gének de novo evolúciója laboratóriumban replikálható. Sikerült például egy új gént, az enterobaktin-észterázt kifejleszteniük, amely kompenzálta az E. coliban deletált hasonló gént. Az új fehérje nem volt rokon a természetes enzimmel, és csak 100 a.a hosszú volt. 400 a.o helyett [23] .
Három hipotézis létezik. a molekuláris evolúció magyarázata. [24] [25]
A szelekciós hipotézis szerint a szelekció a molekuláris evolúció hajtóereje. Noha ismert, hogy a legtöbb mutáció semleges, a tenyésztők a semleges allélok gyakoriságában bekövetkezett változásokat inkább a szelekciós folyamatban lévő gének kapcsolódási egyensúlyának felborulásának tulajdonítják, nem pedig a véletlenszerű genetikai sodródásnak. A kodonhasználat különbsége azzal magyarázható, hogy még a gyenge szelekció is képes molekuláris evolúciót alakítani. [26] [27]
A semleges hipotézisek a mutációk, a tisztító szelekció és a véletlenszerű genetikai sodródás fontosságát hangsúlyozzák. [28] Kimura [29 ] a semleges elmélet bevezetése, amely King és Jukes [30] felfedezéseit követte , heves vitához vezetett a neodarwinizmus molekuláris szintű relevanciájáról. A molekuláris evolúció semleges elmélete azt feltételezi, hogy a legtöbb DNS-mutáció olyan helyeken található, amelyek nem fontosak a szervezet élete és alkalmassága szempontjából. Ezek a semleges változások a populációban rögzülnek. A pozitív változások nagyon ritkák, ezért nem járulnak hozzá jelentősen a DNS-polimorfizmushoz. [31] A káros mutációk nem járulnak hozzá nagy mértékben a DNS-diverzitáshoz, mert negatívan befolyásolják a szervezet alkalmasságát, ezért gyorsan eltávolítják őket a génállományból. [32] Ez az elmélet a molekuláris óra alapja. [31] A semleges mutációk sorsát a genetikai sodródás határozza meg, és elősegíti mind a nukleotid-polimorfizmust, mind a fajok közötti rögzített különbségeket. [33] [34]
A legszorosabb értelemben a semleges elmélet nem egzakt. [35] A DNS-ben bekövetkezett kis változások nagyon gyakran következményekkel járnak, de néha ezek a hatások túl kicsik ahhoz, hogy a természetes szelekció működjön. [35] Még a szinonim mutációk sem feltétlenül semlegesek [35] , mert a különböző kodonok eltérő mennyiségben vannak jelen, ami befolyásolja a transzláció sebességét. Létezik egy elmélet is, az úgynevezett szinte semleges elmélet. Ez az elmélet kibővítette a semleges elmélet perspektíváját azzal, hogy bizonyos mutációk közel semlegesek, ami azt jelenti, hogy a véletlenszerű sodródás és a természetes szelekció egyaránt befolyásolja a dinamikát. [35] A fő különbség a semleges elmélet és a közel semleges elmélet között az, hogy az utóbbi a gyenge szelekcióra összpontosít, nem pedig a szigorúan semleges szelekcióra. [32]
A mutációs hipotézis elsősorban a véletlenszerű sodródásra és a mutációs minták eltolódására összpontosít [36] . Sueoka volt az első, aki modern képet mutatott a mutációról. Feltételezte, hogy a HC összetételében bekövetkezett változás nem pozitív szelekció eredménye, hanem a HC mutációs nyomásának következménye [37] .
A molekuláris evolúció alapelveit felfedezték, tanulmányozták és tovább tesztelték a sejten kívüli leggyorsabban szaporodó és genetikailag legváltozatosabb fajok amplifikációjával, variációjával és szelekciójával. Solomon Spiegelman 1967-es úttörő munkája óta [38] , amely a Qß-vírus enzimje által replikált RNS-t ír le [39] , számos csoport (például a Kramers-csoport [40] és a Baibrecher-, Loos- és Eugen-csoport [41]) ) az 1970-es és 1980-as években tanulmányozták ennek az RNS-nek a mini- és mikrováltozatait, amelyek másodpercek vagy percek alatt replikálódnak, lehetővé téve több száz kellően nagy méretű (például 10^14 szekvencia méretű) nemzedékek követését. ) egy kísérleti nap alatt.
A replikáció részletes mechanizmusának kémiai-kinetikai elemzése [42] [43] kimutatta, hogy ez a típusú rendszer volt az első olyan molekuláris evolúciós rendszer, amely a fizikai-kémiai kinetika alapján teljesen jellemezhető, megépítve az első olyan modelleket, amelyek lehetővé tették a megfelelést. genotípustól fenotípusig. Egy ilyen modell a szekvenciafüggő RNS-foldingon és refoldingon alapul [44] .
Amíg a többkomponensű Qß enzim funkciója megmarad, a kémiai feltételek jelentősen változhatnak a változó környezet és a szelekciós nyomás hatásának vizsgálatához. Az in vitro RNS-kvázifajokkal végzett kísérletek magukban foglalták a molekuláris evolúcióban az információ hibaküszöbének jellemzését, a de novo evolúció felfedezését, amely számos replikálódó RNS-fajhoz vezet, valamint a térben utazó hullámok felfedezését, mint a molekuláris evolúció ideális reaktorait. evolúció. [45]
Az újabb kísérletek új enzimkombinációkat alkalmaztak a kölcsönhatásban lévő molekuláris evolúció új aspektusainak feltárására, beleértve a populációfüggő alkalmasságot, beleértve a mesterségesen megtervezett préda-ragadozó molekuláris modellekkel [46] és több RNS-ből és DNS-ből álló kooperatív rendszerekkel végzett munkát. Ezekhez a vizsgálatokhoz speciális evolúciós reaktorokat fejlesztettek ki, kezdve a szekvenciális átviteli gépekkel, áramlási reaktorokkal, például cellastatisztikai gépekkel, kapilláris reaktorokkal és mikroreaktorokkal, beleértve a lineáris áramlású reaktorokat és a gélreaktorokat. Ezeket a tanulmányokat elméleti fejlesztések és modellezések kísérték, amelyek az RNS hajtogatási és replikációs kinetikájával foglalkoztak, amelyek rávilágítottak a szekvenciatávolság és a fitnesz-változások közötti korrelációs mintázat fontosságára, beleértve a semleges hálózatok és szerkezeti összeállítások szerepét az evolúciós optimalizálásban. [47]
Főcikk: Molekuláris filogenetika
A molekuláris szisztematika a hagyományos szisztematika és a molekuláris genetika megközelítéseinek ötvözése eredményeként jelent meg . A molekuláris taxonómia DNS-, RNS- vagy fehérjeszekvenciák segítségével oldja meg a szisztematikus kérdéseket, nevezetesen a helyes osztályozást vagy taxonómiát az evolúcióbiológia szempontjából.
A molekuláris taxonómia elterjedt a rendelkezésre álló DNS-szekvenálási technikák miatt, amelyek lehetővé teszik specifikus DNS- vagy RNS-nukleotid-szekvenciák meghatározását. A teljes genom szekvenálását manapság egyre gyakrabban használják filogenetikai vizsgálatokhoz, de a filogenetika felépítéséhez általában elegendő csak néhány 1000 bp-os variábilis fragmentumot összehasonlítani. Az ilyen variábilis fragmensek gyakran 16S rRNS baktériumokban, ITS és kloroplaszt markerek növényekben és mitokondriális fragmentumok állatokban.
A fehérjeevolúciót számos olyan szervezetből származó fehérjék szekvenciáinak és szerkezetének összehasonlításával tanulmányozzák, amelyek filogenetikailag távoli kládokat tükröznek. Ha két fehérje szekvenciája és szerkezete hasonló, ami közös eredetet jelent, akkor az ilyen fehérjéket homológnak nevezzük . Ha különböző fajokból homológ fehérjéket nyerünk, akkor ezeket ortológoknak nevezzük. Az ugyanabban a genomban található homológ fehérjéket paralógoknak nevezzük.
A fehérje evolúcióját mindig a fehérjét kódoló gének DNS-ében bekövetkező változások vezérlik. A DNS-mutációk azonban nem mindig befolyásolják a fehérjeszekvenciát, mivel gyakran egy nukleotid cseréje egy aminosavat kódoló hármasban egy szinonóm hármas megjelenéséhez vezet .
A fehérjék filogenetikai kapcsolatait többszörös szekvencia-összehasonlítással és filogenetikai fák építésével állapítják meg . Az ilyen filogenetikai fák azt mutatják, hogy a nagy szekvencia-hasonlóság a fehérjék evolúciós közelségét tükrözi.
A fehérjék evolúciója a fehérjék formájának, funkciójának és szerkezetének időbeli változásait írja le. Figyelemre méltó, hogy a szekvenciaváltozás sebessége nem azonos a különböző fehérjék esetében [48] . A szervezet életéhez szükséges kulcsfontosságú fehérjék általában konzervatívabbak, mivel az ilyen gének legtöbb mutációja jelentős zavarokhoz vezet az egész szervezet működésében, és nem rögzül a populációban. A fehérjék egy funkcionális csoportjának szekvenciáin belüli mutációk gyakorisága viszont eltér a lókuszok között. Az enzimekben az aktív hely maradékai a leginkább konzerváltak.
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|