Молекулярная филогенетика ( / m ə ˈ l ɛ k j ʊ l ər ˌ f aɪ l oʊ dʒ ə ˈ n ɛ t ɪ k s , m ɒ -, m oʊ -/ [1] [2] ) — раздел филогении , который анализирует генетические, наследственные молекулярные различия, преимущественно в последовательностях ДНК, чтобы получить информацию об эволюционных взаимоотношениях организма. На основе этого анализа можно определить процессы, посредством которых было достигнуто разнообразие видов. Результат молекулярно -филогенетического анализа выражается в виде филогенетического дерева . Молекулярная филогенетика является одним из аспектов молекулярной систематики , более широкого термина, который также включает использование молекулярных данных в таксономии и биогеографии . [3] [4] [5]
Молекулярная филогенетика и молекулярная эволюция коррелируют. Молекулярная эволюция — это процесс избирательных изменений (мутаций) на молекулярном уровне (гены, белки и т. д.) на протяжении различных ветвей древа жизни (эволюции). Молекулярная филогенетика делает выводы об эволюционных отношениях, возникающих в результате молекулярной эволюции, и приводит к построению филогенетического дерева. [6]
Теоретические основы молекулярной систематики были заложены в 1960-е годы в работах Эмиля Цукеркандла , Эмануэля Марголиаша , Лайнуса Полинга и Уолтера М. Фитча . [7] Пионерами применения молекулярной систематики были Чарльз Дж. Сибли ( птицы ), Герберт К. Дессауэр ( герпетология ) и Моррис Гудман ( приматы ), а затем Аллан К. Уилсон , Роберт К. Селандер и Джон К. Авис. (которые обучались в различных группах). Работа с электрофорезом белков началась примерно в 1956 году. Хотя результаты не были количественными и первоначально не улучшили морфологическую классификацию, они дали дразнящие намеки на то, что давние представления о классификациях птиц , например, нуждаются в существенном пересмотре. В период 1974–1986 годов гибридизация ДНК-ДНК была доминирующим методом измерения генетических различий. [8]
Ранние попытки молекулярной систематики также назывались хемотаксономией и использовали белки, ферменты , углеводы и другие молекулы, которые были разделены и охарактеризованы с использованием таких методов, как хроматография . В последнее время они были заменены в основном секвенированием ДНК , которое позволяет получить точные последовательности нуклеотидов или оснований в сегментах ДНК или РНК, извлеченные с использованием различных методов. В целом они считаются лучшими для эволюционных исследований, поскольку действия эволюции в конечном итоге отражаются в генетических последовательностях. В настоящее время секвенирование всей ДНК организма (его генома ) по-прежнему является длительным и дорогостоящим процессом. Однако вполне реально определить последовательность определенного участка конкретной хромосомы . Типичный молекулярно-систематический анализ требует секвенирования около 1000 пар оснований . В любом месте такой последовательности основания, обнаруженные в данном положении, могут различаться у разных организмов. Конкретная последовательность, обнаруженная в данном организме, называется его гаплотипом . В принципе, поскольку существует четыре типа оснований с 1000 парами оснований, мы можем иметь 41000 различных гаплотипов. Однако эмпирически было обнаружено, что для организмов внутри определенного вида или группы родственных видов только меньшинство участков вообще демонстрирует какие-либо вариации, а большинство обнаруженных вариаций коррелируют, так что количество различных видов количество обнаруженных гаплотипов относительно невелико. [9]
При молекулярно-систематическом анализе гаплотипы определяются для определенной области генетического материала ; используется значительная выборка особей целевого вида или другого таксона ; однако многие текущие исследования основаны на отдельных людях. Определены также гаплотипы особей близкородственных, но разных таксонов. Наконец, определяются гаплотипы от меньшего числа особей из определенно другого таксона: их называют аутгруппой . Затем сравниваются базовые последовательности гаплотипов. В простейшем случае различие между двумя гаплотипами оценивается путем подсчета количества мест, где они имеют разные основания: это называется числом замен (могут встречаться и другие виды различий между гаплотипами, например, вставка участок нуклеиновой кислоты в одном гаплотипе, которого нет в другом). Различие между организмами обычно выражается в процентах дивергенции путем деления количества замен на количество анализируемых пар оснований: есть надежда, что эта мера будет независимой от местоположения и длины секвенируемого участка ДНК. .
Более старый и замененный подход заключался в определении различий между генотипами людей путем гибридизации ДНК-ДНК . Преимущество использования гибридизации вместо секвенирования генов заключалось в том, что оно основывалось на всем генотипе, а не на отдельных участках ДНК. Современные методы сравнения последовательностей преодолевают это возражение за счет использования нескольких последовательностей.
После определения расхождений между всеми парами образцов результирующая треугольная матрица различий подвергается той или иной форме статистического кластерного анализа , а полученная дендрограмма исследуется, чтобы увидеть, группируются ли образцы так, как можно было бы ожидать от современные представления о таксономии группы. Можно сказать, что любая группа гаплотипов, которые более похожи друг на друга, чем любой из них на любой другой гаплотип, составляет кладу , которую можно визуально представить, как показано на рисунке справа. Статистические методы, такие как бутстреп и складной нож , помогают обеспечить оценку надежности положений гаплотипов внутри эволюционных деревьев.
Каждый живой организм содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту ( ДНК ), рибонуклеиновую кислоту ( РНК ) и белки . В целом близкородственные организмы имеют высокую степень сходства молекулярной структуры этих веществ, тогда как молекулы отдаленнородственных организмов часто демонстрируют закономерность несходства. Ожидается, что консервативные последовательности, такие как митохондриальная ДНК, будут накапливать мутации с течением времени и, предполагая постоянную скорость мутаций, обеспечивают молекулярные часы для расхождения в датировке. Молекулярная филогения использует такие данные для построения «дерева отношений», которое показывает возможную эволюцию различных организмов. С изобретением секвенирования по Сэнгеру в 1977 году стало возможным изолировать и идентифицировать эти молекулярные структуры. [10] [11] Высокопроизводительное секвенирование также может использоваться для получения транскриптома организма, что позволяет делать выводы о филогенетических отношениях с использованием транскриптомных данных .
Наиболее распространенным подходом является сравнение гомологичных последовательностей генов с использованием методов выравнивания последовательностей для выявления сходства. Еще одним применением молекулярной филогении является штрих-кодирование ДНК , при котором вид отдельного организма идентифицируется с использованием небольших участков митохондриальной ДНК или ДНК хлоропластов . Другое применение методов, которые делают это возможным, можно увидеть в очень ограниченной области генетики человека, например, во все более популярном использовании генетического тестирования для определения отцовства ребенка , а также в появлении новой отрасли криминальной преступности. судебно-медицинская экспертиза сосредоточилась на доказательствах, известных как генетическая дактилоскопия .
Существует несколько методов проведения молекулярно-филогенетического анализа. Один метод, включающий комплексный пошаговый протокол построения филогенетического дерева, включая сборку смежных последовательностей ДНК/аминокислот, множественное выравнивание последовательностей , модельное тестирование (тестирование наиболее подходящих моделей замещения) и реконструкцию филогении с использованием метода максимального правдоподобия и Байесовский вывод доступен на сайте Nature Protocol. [12]
Другой метод молекулярно-филогенетического анализа был описан Певснером и будет кратко изложен в следующих предложениях (Певснер, 2015). Филогенетический анализ обычно состоит из пяти основных этапов. Первый этап включает получение последовательности. Следующий шаг состоит из выполнения множественного выравнивания последовательностей, которое является фундаментальной основой построения филогенетического дерева. Третий этап включает в себя различные модели замены ДНК и аминокислот. Существует несколько моделей замещения. Несколько примеров включают расстояние Хэмминга , однопараметрическую модель Джукса и Кантора и двухпараметрическую модель Кимуры (см. Модели эволюции ДНК ). Четвертый этап состоит из различных методов построения дерева, включая методы, основанные на расстоянии и по символам. Нормализованное расстояние Хэмминга и поправочные формулы Джукса-Кантора определяют степень расхождения и вероятность замены нуклеотида на другой соответственно. Общие методы построения дерева включают метод невзвешенной парной группы с использованием среднего арифметического ( UPGMA ) и соединения соседей , которые являются методами, основанными на расстоянии, максимальной экономией , который является символьным методом, а также оценку максимального правдоподобия и байесовский вывод , которые являются символьными. методы на основе/модели. UPGMA — простой метод; однако он менее точен, чем метод объединения соседей. Наконец, последний шаг включает оценку деревьев. Эта оценка точности состоит из последовательности, эффективности и надежности. [13]
MEGA (молекулярно-эволюционно-генетический анализ) — это удобное для пользователя программное обеспечение для анализа, которое можно бесплатно загрузить и использовать. Это программное обеспечение способно анализировать методологии деревьев как на основе расстояний, так и на основе символов. MEGA также содержит несколько вариантов, которые можно использовать, например, эвристические подходы и начальную загрузку. Начальная загрузка — это подход, который обычно используется для измерения устойчивости топологии в филогенетическом дереве, который демонстрирует процент поддержки каждой клады после многочисленных повторов. Обычно значение, превышающее 70%, считается значимым. Блок-схема, показанная справа, наглядно демонстрирует порядок пяти описанных этапов метода молекулярно-филогенетического анализа Певснера. [13]
Молекулярная систематика по существу представляет собой кладистический подход: он предполагает, что классификация должна соответствовать филогенетическому происхождению и что все действительные таксоны должны быть монофилетическими . Это ограничение при попытке определить оптимальное дерево (дерева), которое часто включает в себя разделение пополам и повторное соединение частей филогенетического дерева (дерев).
Недавнее открытие обширного горизонтального переноса генов между организмами значительно усложняет молекулярную систематику, указывая на то, что разные гены в одном и том же организме могут иметь разную филогению. HGT можно обнаружить и исключить с помощью ряда филогенетических методов (см. «Вывод о горизонтальном переносе генов» § Явные филогенетические методы ).
Кроме того, молекулярная филогения чувствительна к предположениям и моделям, которые лежат в ее основе. Во-первых, последовательности должны быть выровнены; затем необходимо решить такие проблемы, как привлечение длинных ветвей , насыщение и проблемы выборки таксонов . Это означает, что, применяя разные модели к одному и тому же набору данных, можно получить совершенно разные результаты. [14] [15] Метод построения дерева также предполагает определенные предположения о топологии дерева, скорости эволюции и выборке. Упрощенная UPGMA предполагает наличие корневого дерева и однородных молекулярных часов, причем оба варианта могут быть неверными. [13]