Нейтральные мутации — это изменения в последовательности ДНК , которые не являются ни полезными, ни вредными для способности организма выживать и размножаться. В популяционной генетике мутации , при которых естественный отбор не влияет на распространение мутации в виде, называются нейтральными мутациями. Нейтральные мутации, которые наследуются и не связаны ни с одним геном, находящимся под отбором, будут утрачены или заменят все другие аллели гена. Эта потеря или фиксация гена происходит на основе случайной выборки, известной как генетический дрейф . Нейтральная мутация, которая находится в неравновесном сцеплении с другими аллелями, находящимися под отбором, может перейти к потере или фиксации посредством генетического автостопа и/или фонового отбора .
Хотя многие мутации в геноме могут снижать способность организма выживать и размножаться, также известную как приспособленность , эти мутации отбираются и не передаются будущим поколениям . Наиболее часто наблюдаемые мутации, которые обнаруживаются как вариации в генетическом составе организмов и популяций, по-видимому, не оказывают видимого влияния на приспособленность особей и, следовательно, являются нейтральными. Выявление и изучение нейтральных мутаций привело к разработке нейтральной теории молекулярной эволюции , которая является важной и часто спорной теорией, предполагающей, что большинство молекулярных вариаций внутри и между видами по существу нейтральны и не подвергаются воздействию отбора. Нейтральные мутации также являются основой для использования молекулярных часов для идентификации таких эволюционных событий, как видообразование и адаптивные или эволюционные излучения .
Чарльз Дарвин прокомментировал идею нейтральной мутации в своей работе, выдвинув гипотезу, что мутации, которые не дают преимущества или недостатка, могут колебаться или становиться фиксированными отдельно от естественного отбора . «Вариации, не являющиеся ни полезными, ни вредными, не будут затронуты естественным отбором и останутся либо флуктуирующим элементом, как, возможно, мы видим у некоторых полиморфных видов, либо в конечном итоге станут фиксированными из-за природы организма и природы условий». Хотя Дарвину широко приписывают введение идеи естественного отбора, которая была в центре его исследований, он также видел возможность изменений, которые не приносят пользы или вреда организму. [1]
Представление Дарвина о том, что изменения в основном обусловлены чертами, которые обеспечивают преимущество, было широко принято до 1960-х годов. [2] Исследуя мутации, которые приводят к нуклеотидным заменам в 1968 году, Моту Кимура обнаружил, что скорость замены была настолько высока, что если бы каждая мутация улучшала приспособленность, разрыв между наиболее приспособленным и типичным генотипом был бы неправдоподобно большим. Однако Кимура объяснил эту быструю скорость мутации, предположив, что большинство мутаций были нейтральными, т. е. оказывали незначительное или вообще не влияли на приспособленность организма. Кимура разработал математические модели поведения нейтральных мутаций, подверженных случайному генетическому дрейфу в биологических популяциях. Эта теория стала известна как нейтральная теория молекулярной эволюции. [3]
Поскольку технологии позволили улучшить анализ геномных данных, исследования в этой области продолжились. В то время как естественный отбор может способствовать адаптации к изменяющейся среде, нейтральная мутация может подтолкнуть расхождение видов из-за почти случайного генетического дрейфа. [2]
Нейтральная мутация стала частью нейтральной теории молекулярной эволюции, предложенной в 1960-х годах. Эта теория предполагает, что нейтральные мутации ответственны за большую часть изменений последовательности ДНК у вида. Например, бычий и человеческий инсулин, хотя и различаются по аминокислотной последовательности, все еще способны выполнять одну и ту же функцию. Поэтому замены аминокислот между видами считались нейтральными или не оказывающими влияния на функцию белка. Нейтральная мутация и нейтральная теория молекулярной эволюции не отделены от естественного отбора, а дополняют изначальные мысли Дарвина. Мутации могут давать преимущество, создавать недостаток или не иметь измеримого значения для выживания организма. [4]
Ряд наблюдений, связанных с нейтральной мутацией, были предсказаны в нейтральной теории, включая: аминокислоты со схожими биохимическими свойствами должны заменяться чаще, чем биохимически различные аминокислоты; синонимичные замены оснований должны наблюдаться чаще, чем несинонимичные замены; интроны должны развиваться с той же скоростью, что и синонимичные мутации в кодирующих экзонах ; и псевдогены также должны развиваться с похожей скоростью. Эти предсказания были подтверждены с введением дополнительных генетических данных с момента введения теории. [2]
Когда неправильный нуклеотид вставляется во время репликации или транскрипции кодирующей области, это может повлиять на конечную трансляцию последовательности в аминокислоты. Поскольку для одних и тех же аминокислот используются несколько кодонов , изменение одного основания все равно может привести к трансляции одной и той же аминокислоты. Это явление называется вырожденностью и допускает различные комбинации кодонов, приводящие к образованию одной и той же аминокислоты. Например, коды TCT, TCC, TCA, TCG, AGT и AGC кодируют аминокислоту серин . Это можно объяснить концепцией колебания. Фрэнсис Крик предложил эту теорию, чтобы объяснить, почему определенные молекулы тРНК могут распознавать несколько кодонов. Область тРНК, которая распознает кодон, называемая антикодоном, способна связывать несколько взаимозаменяемых оснований на своем 5'-конце из-за своей пространственной свободы. Пятое основание, называемое инозином, также может быть заменено на тРНК и способно связываться с A, U или C. Эта гибкость позволяет изменять основания в кодонах, приводя к трансляции той же аминокислоты. [5] Изменение основания в кодоне без изменения транслируемой аминокислоты называется синонимической мутацией. Поскольку транслируемая аминокислота остается той же, синонимическая мутация традиционно считалась нейтральной мутацией. [6] Некоторые исследования предполагают, что существует смещение в выборе замены основания в синонимической мутации. Это может быть связано с селективным давлением для повышения эффективности трансляции, связанным с наиболее доступными тРНК , или просто мутационным смещением. [7] Если эти мутации влияют на скорость трансляции или способность организма вырабатывать белок, они могут фактически влиять на приспособленность затронутого организма. [6]
В то время как замена основания в некодирующей области генома может иметь небольшое значение и считаться нейтральной, замены оснований в генах или вокруг них могут повлиять на организм. Некоторые замены оснований приводят к синонимической мутации и отсутствию разницы в транслируемой аминокислоте, как отмечено выше. Однако замена основания также может изменить генетический код так, что будет транслироваться другая аминокислота. Этот вид замены обычно оказывает отрицательное влияние на формирующийся белок и будет устранен из популяции посредством очищающего отбора . Однако, если изменение оказывает положительное влияние, мутация может становиться все более распространенной в популяции, пока не станет фиксированной генетической частью этой популяции. Организмы, изменяющиеся посредством этих двух вариантов, составляют классическую точку зрения на естественный отбор. Третья возможность заключается в том, что замена аминокислоты мало или совсем не оказывает положительного или отрицательного влияния на затронутый белок. [13] Белки демонстрируют некоторую толерантность к изменениям в структуре аминокислот. Это в некоторой степени зависит от того, где в белке происходит замена. Если это происходит в важной структурной области или в активном сайте , одна замена аминокислоты может дезактивировать или существенно изменить функциональность белка. Замены в других областях могут быть почти нейтральными и дрейфовать случайным образом с течением времени. [14]
Нейтральные мутации измеряются в популяционной и эволюционной генетике часто путем изучения вариаций в популяциях. Они измерялись исторически с помощью гель-электрофореза для определения частот аллозимов . [15] Статистический анализ этих данных используется для сравнения вариаций с прогнозируемыми значениями на основе размера популяции, частоты мутаций и эффективного размера популяции. Ранние наблюдения, которые показали более высокую, чем ожидалось, гетерозиготность и общую вариацию в пределах изученных изоформ белка, привели к аргументам относительно роли отбора в поддержании этой вариации по сравнению с существованием вариации через эффекты возникновения нейтральных мутаций и их случайного распределения из-за генетического дрейфа. [16] [17] [18] Накопление данных, основанных на наблюдаемом полиморфизме, привело к формированию нейтральной теории эволюции. [16] Согласно нейтральной теории эволюции, скорость фиксации в популяции нейтральной мутации будет напрямую связана со скоростью образования нейтрального аллеля. [19]
В исходных расчетах Кимуры мутации с |2 N s |<1 или | s |≤1/(2N) определяются как нейтральные. [16] [18] В этом уравнении N — эффективный размер популяции и является количественным измерением идеального размера популяции, который предполагает такие константы, как равное соотношение полов и отсутствие эмиграции, миграции, мутации и отбора. [20] Консервативно часто предполагается, что эффективный размер популяции составляет приблизительно одну пятую от общего размера популяции. [21] s — коэффициент отбора и является значением от 0 до 1. Это измерение вклада генотипа в следующее поколение, где значение 1 будет полностью отобрано и не будет вносить никакого вклада, а 0 — вообще не отобрано. [22] Это определение нейтральной мутации подверглось критике из-за того, что очень большие эффективные размеры популяции могут сделать мутации с малыми коэффициентами отбора ненейтральными. Кроме того, мутации с высокими коэффициентами отбора могут казаться нейтральными в очень маленьких популяциях. [18] Проверяемая гипотеза Кимуры и других показала, что полиморфизм внутри видов приблизительно соответствует тому, который можно было бы ожидать в нейтральной эволюционной модели. [18] [23] [24]
Для многих подходов молекулярной биологии, в отличие от математической генетики, нейтральные мутации обычно считаются теми мутациями, которые не оказывают заметного влияния на функцию гена. Это упрощение устраняет влияние незначительных аллельных различий в приспособленности и позволяет избежать проблем, когда отбор имеет лишь незначительный эффект. [18]
Ранние убедительные доказательства этого определения нейтральной мутации были продемонстрированы посредством более низких скоростей мутаций в функционально важных частях генов, таких как цитохром c, по сравнению с менее важными частями [25] и функционально взаимозаменяемой природы цитохрома c млекопитающих в исследованиях in vitro. [26] Нефункциональные псевдогены предоставляют больше доказательств роли нейтральных мутаций в эволюции. Было показано, что скорости мутаций в псевдогенах глобина млекопитающих намного выше, чем скорости в функциональных генах. [27] [28] Согласно неодарвинистской эволюции, такие мутации должны существовать редко, поскольку эти последовательности нефункциональны, и положительный отбор не сможет работать. [18]
Тест Макдональда-Крейтмана [29] использовался для изучения отбора в течение длительных периодов эволюционного времени. Это статистический тест, который сравнивает полиморфизм в нейтральных и функциональных сайтах и оценивает, какая доля замен была затронута положительным отбором. [30] Тест часто использует синонимичные замены в генах, кодирующих белок, в качестве нейтрального компонента; однако было показано, что синонимичные мутации во многих случаях находятся под очищающим отбором. [31] [32]
Молекулярные часы можно использовать для оценки количества времени с момента расхождения двух видов и для размещения эволюционных событий во времени. [33] Полинг и Цукеркандль предложили идею молекулярных часов в 1962 году на основе наблюдения, что случайный процесс мутаций происходит с приблизительно постоянной скоростью. Было показано, что отдельные белки имеют линейные скорости изменений аминокислот в течение эволюционного времени. [34] Несмотря на споры некоторых биологов, утверждающих, что морфологическая эволюция не будет происходить с постоянной скоростью, было показано, что многие изменения аминокислот накапливаются постоянным образом. Кимура и Охта объяснили эти скорости как часть структуры нейтральной теории. Эти мутации были обоснованы как нейтральные, поскольку положительный отбор должен быть редким, а вредные мутации должны быстро устраняться из популяции. [35] Согласно этим рассуждениям, накопление этих нейтральных мутаций должно зависеть только от скорости мутаций. Следовательно, скорость нейтральных мутаций в отдельных организмах должна соответствовать скорости молекулярной эволюции у видов в течение эволюционного времени. Скорость нейтральной мутации зависит от количества нейтральных участков в последовательности белка или ДНК по сравнению с количеством мутаций в участках, которые функционально ограничены. Количественно оценивая эти нейтральные мутации в белке и/или ДНК и сравнивая их между видами или другими интересующими группами, можно определить скорость дивергенции. [33] [36]
Молекулярные часы вызвали споры из-за дат, которые они выводят для таких событий, как взрывные излучения, наблюдаемые после событий вымирания, таких как кембрийский взрыв и излучения млекопитающих и птиц. Существуют двукратные различия в датах, полученных из молекулярных часов и ископаемых летописей. В то время как некоторые палеонтологи утверждают, что молекулярные часы системно неточны, другие приписывают расхождения отсутствию надежных ископаемых данных и предвзятости в выборке. [37] Хотя и не без постоянства и расхождений с ископаемыми летописями, данные молекулярных часов показали, как эволюция доминирует механизмами нейтральной модели и в меньшей степени зависит от действия естественного отбора. [33]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка )