Почти нейтральная теория молекулярной эволюции

Вариант одной теории эволюции

Почти нейтральная теория молекулярной эволюции является модификацией нейтральной теории молекулярной эволюции ^[1] , которая учитывает тот факт, что не все мутации либо настолько вредны, что их можно игнорировать, либо нейтральны. Слабо вредные мутации надежно удаляются только тогда, когда их коэффициент отбора больше единицы, деленной на эффективный размер популяции . В более крупных популяциях большая доля мутаций превышает этот порог, при котором генетический дрейф не может пересилить отбор, что приводит к меньшему количеству событий фиксации и, следовательно, к более медленной молекулярной эволюции.

Почти нейтральная теория была предложена Томоко Охта в 1973 году. ^[2] Зависящий от размера популяции порог для устранения мутаций был назван Майклом Линчем «дрейфовым барьером» и использовался для объяснения различий в геномной архитектуре между видами.

Происхождение

Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, скорость накопления молекулярных изменений между видами должна быть равна скорости нейтральных мутаций и, следовательно, относительно постоянной для разных видов. Однако это скорость на поколение. Поскольку более крупные организмы имеют более длительное время генерации , нейтральная теория предсказывает, что скорость их молекулярной эволюции должна быть медленнее. Однако молекулярные эволюционисты обнаружили, что скорость эволюции белков довольно независима от времени генерации.

Отметив, что размер популяции, как правило, обратно пропорционален времени генерации, Томоко Охта предположил, что если большинство аминокислотных замен немного вредны, это увеличит скорость фактически нейтральной скорости мутации в небольших популяциях, что может компенсировать эффект длительного времени генерации. Однако, поскольку некодирующие замены ДНК , как правило, более нейтральны, независимо от размера популяции, их скорость эволюции правильно предсказана как зависящая от размера популяции/времени генерации, в отличие от скорости несинонимичных изменений. ^[3]

В этом случае более высокая скорость нейтральной эволюции белков, ожидаемая в небольших популяциях (из-за более мягкого порога для удаления вредных мутаций), компенсируется более длительным временем генерации (и наоборот), но в больших популяциях с коротким временем генерации некодирующая ДНК эволюционирует быстрее, в то время как эволюция белков замедляется отбором (который более значим, чем дрейф для больших популяций) ^[3]. В 1973 году Охта опубликовал короткое письмо в Nature ^[2], в котором предположил, что широкий спектр молекулярных доказательств подтверждает теорию о том, что большинство мутационных событий на молекулярном уровне являются слегка вредными, а не строго нейтральными.

В период с того времени и до начала 1990-х годов многие исследования молекулярной эволюции использовали «модель сдвига», в которой отрицательное влияние на приспособленность популяции из-за вредных мутаций смещается обратно к исходному значению, когда мутация достигает фиксации. В начале 1990-х годов Охта разработал «фиксированную модель», которая включала как полезные, так и вредные мутации, так что не было необходимости в искусственном «сдвиге» общей приспособленности популяции. ^[3] Однако, по словам Охты, почти нейтральная теория в значительной степени вышла из моды в конце 1980-х годов, потому что математически более простая нейтральная теория для широко распространенных исследований молекулярной систематики , которая процветала после появления быстрого секвенирования ДНК . Поскольку более подробные исследования систематики начали сравнивать эволюцию областей генома, подверженных сильному отбору, с более слабым отбором в 1990-х годах, почти нейтральная теория и взаимодействие между отбором и дрейфом снова стали важным направлением исследований. ^[4]

Теория

Вероятность фиксации сильно зависит от N для вредных мутаций (обратите внимание на логарифмическую шкалу на оси Y) относительно нейтрального случая s=0. Пунктирные линии показывают вероятность фиксации мутации при s=-1/N. Обратите внимание, что более крупные популяции имеют больше вредных мутаций (не показано).

Вероятность фиксации полезных мутаций довольно нечувствительна к N. Обратите внимание, что более крупные популяции имеют больше полезных мутаций (не показано).

Скорость замещения составляет ${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \rho =ugN_{e}{\bar {P}}_{fix}}$,

где — скорость мутации, — время генерации, — эффективный размер популяции. Последний член — вероятность того, что новая мутация зафиксируется . Ранние модели предполагали, что является постоянным между видами и увеличивается с . Уравнение Кимуры для вероятности фиксации в гаплоидной популяции дает: ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle N_{e}}$

${\displaystyle P_{fix}={\frac {1-e^{-s}}{1-e^{-sN_{e}}}}}$,

где - коэффициент отбора мутации. Когда (полностью нейтральный), , а когда (крайне вредный), уменьшается почти экспоненциально с . Мутации с называются почти нейтральными мутациями. Эти мутации могут закрепляться в небольших популяциях посредством генетического дрейфа . В больших популяциях эти мутации устраняются отбором. Если почти нейтральные мутации распространены, то доля для которых зависит от ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle |s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle -s\gg {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle P_{fix}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle -s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle N_{e}}$

Эффект почти нейтральных мутаций может зависеть от колебаний в . Ранние работы использовали «модель сдвига», в которой может меняться между поколениями, но средняя приспособленность популяции сбрасывается до нуля после фиксации. Это в основном предполагает, что распределение постоянно (в этом смысле аргумент в предыдущих параграфах можно рассматривать как основанный на «модели сдвига»). Это предположение может привести к неопределенному улучшению или ухудшению функции белка. В качестве альтернативы более поздняя «модель сдвига» ^[5] фиксирует распределение эффекта мутаций на функцию белка, но позволяет средней приспособленности популяции эволюционировать. Это позволяет распределению меняться вместе со средней приспособленностью популяции. ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s}$

«Фиксированная модель» дает несколько иное объяснение скорости эволюции белка. В больших популяциях полезные мутации быстро подбираются отбором, увеличивая среднюю приспособленность популяции. В ответ скорость мутаций почти нейтральных мутаций снижается, поскольку эти мутации ограничены хвостом распределения коэффициентов отбора. ${\displaystyle N_{e}}$

«Фиксированная модель» расширяет почти нейтральную теорию. Тачида ^[6] классифицировал эволюцию в рамках «фиксированной модели» на основе произведения и дисперсии в распределении : большой продукт соответствует адаптивной эволюции, промежуточный продукт соответствует почти нейтральной эволюции, а маленький продукт соответствует почти нейтральной эволюции. Согласно этой классификации, немного выгодные мутации могут способствовать почти нейтральной эволюции. ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle s}$

Теория «дрейфового барьера»

Майкл Линч предположил, что вариации в способности удалять слегка вредные мутации (т. е. вариации в ) могут объяснить вариации в геномной архитектуре среди видов, например, размер генома или скорость мутаций. ^[7] В частности, более крупные популяции будут иметь более низкие скорости мутаций, более оптимизированную геномную архитектуру и, как правило, более тонко настроенные адаптации. Однако, если устойчивость к последствиям каждой возможной ошибки в таких процессах, как транскрипция и трансляция, существенно снижает стоимость совершения таких ошибок, более крупные популяции могут развить более низкие скорости глобальной корректуры и, следовательно, иметь более высокие скорости ошибок. ^[8] Это может объяснить, почему у Escherichia coli более высокие скорости ошибок транскрипции, чем у Saccharomyces cerevisiae . ^{[9] [10]} Это подтверждается тем фактом, что скорости ошибок транскрипции у E. coli зависят от обилия белка (которое отвечает за модуляцию специфической для локуса силы отбора), но это происходит только для ошибок дезаминирования C в U с высокой скоростью ошибок у S. cerevisiae . ^[11] ${\displaystyle N_{e}}$

Смотрите также

• История молекулярной эволюции

Ссылки

1. Кимура М (февраль 1968). «Скорость эволюции на молекулярном уровне». Nature . 217 (5129): 624–626. Bibcode :1968Natur.217..624K. doi :10.1038/217624a0. PMID  5637732. S2CID  4161261.
2. Ohta T (ноябрь 1973). "Слегка вредные мутантные замены в эволюции". Nature . 246 (5428): 96–98. Bibcode :1973Natur.246...96O. doi :10.1038/246096a0. PMID  4585855. S2CID  4226804.
3. Ohta T, Gillespie JH (апрель 1996 г.). «Развитие нейтральных и почти нейтральных теорий». Теоретическая популяционная биология . 49 (2): 128–142. Bibcode :1996TPBio..49..128O. CiteSeerX 10.1.1.332.2080 . doi :10.1006/tpbi.1996.0007. PMID  8813019. 
4. Ohta T (август 1996). «Текущее значение и положение нейтральных и нейтральных теорий». BioEssays . 18 (8): 673–7, обсуждение 683. doi :10.1002/bies.950180811. PMID  8779656.
5. Охта Т, Тачида Х (сентябрь 1990 г.). «Теоретическое исследование почти нейтральности. I. Гетерозиготность и скорость замены мутантов». Генетика . 126 (1): 219–229. doi :10.1093/genetics/126.1.219. PMC 1204126. PMID 2227381  . 
6. Tachida H (май 1991). «Исследование почти нейтральной модели мутации в конечных популяциях». Genetics . 128 (1): 183–192. doi :10.1093/genetics/128.1.183. PMC 1204447 . PMID  2060776. 
7. Линч М. (2007). Истоки архитектуры генома . Сандерленд: Sinauer Associates.
8. Rajon E, Masel J (январь 2011 г.). «Эволюция молекулярных коэффициентов ошибок и последствия для эволюционируемости». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (3): 1082–1087. Bibcode : 2011PNAS..108.1082R. doi : 10.1073/pnas.1012918108 . PMC 3024668. PMID  21199946 . 
9. "Исправление для Traverse и Ochman, Сохраняющиеся показатели и закономерности ошибок транскрипции в зависимости от состояний роста бактерий и образа жизни". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (29): E4257–E4258. Июль 2016 г. Bibcode : 2016PNAS..113E4257.. doi : 10.1073/pnas.1609677113 . PMC 4961203. PMID  27402746. 
10. Xiong K, McEntee JP, Porfirio DJ, Masel J (январь 2017 г.). «Дрейфовые барьеры для контроля качества, когда гены экспрессируются на разных уровнях». Genetics . 205 (1): 397–407. doi : 10.1534/genetics.116.192567 . PMC 5223517 . PMID  27838629. 
11. Meer KM, Nelson PG, Xiong K, Masel J (январь 2020 г.). «Высокие показатели транскрипционных ошибок изменяются в зависимости от уровня экспрессии генов». Genome Biology and Evolution . 12 (1): 3754–3761. doi : 10.1093/gbe/evz275 . PMC 6988749. PMID  31841128 . 

Внешние ссылки

• Почти нейтральная теория молекулярной эволюции - Перспективы молекулярной эволюции