Нейтральная теория молекулярной эволюции утверждает, что большинство эволюционных изменений происходит на молекулярном уровне, и большая часть вариаций внутри и между видами происходит из-за случайного генетического дрейфа мутантных аллелей , которые избирательно нейтральны . Теория применима только к эволюции на молекулярном уровне и совместима с фенотипической эволюцией, формируемой естественным отбором , как постулировал Чарльз Дарвин .
Нейтральная теория допускает возможность того, что большинство мутаций вредны, но утверждает, что, поскольку они быстро удаляются естественным отбором , они не вносят существенного вклада в вариации внутри и между видами на молекулярном уровне. Нейтральная мутация — это мутация, которая не влияет на способность организма выживать и размножаться.
Нейтральная теория предполагает, что большинство невредных мутаций скорее нейтральны, чем полезны. Поскольку в каждом поколении вида отбирается только часть гамет , нейтральная теория предполагает, что мутантный аллель может возникнуть внутри популяции и зафиксироваться случайно, а не в результате селективного преимущества. [1]
Теория была представлена японским биологом Мотоо Кимурой в 1968 году и независимо двумя американскими биологами Джеком Лестером Кингом и Томасом Хьюзом Джуксом в 1969 году и подробно описана Кимурой в его монографии 1983 года «Нейтральная теория молекулярной эволюции» . За предложением нейтральной теории последовали обширные споры между «нейтралистами и селекционистами» по поводу интерпретации закономерностей молекулярной дивергенции и полиморфизма генов , достигшие пика в 1970-х и 1980-х годах.
Нейтральная теория часто используется в качестве нулевой гипотезы, в отличие от адаптивных объяснений, для описания возникновения морфологических или генетических особенностей в организмах и популяциях. Это было предложено в ряде областей, в том числе при объяснении генетических различий между популяциями одного номинального вида, [2] появлении сложного субклеточного механизма, [3] и конвергентном появлении нескольких типичных микробных морфологий. [4]
Хотя некоторые ученые, такие как Фриз (1962) [5] и Фриз и Йошида (1965), [6] предположили, что нейтральные мутации , вероятно, широко распространены, первоначальный математический вывод теории был опубликован Р. А. Фишером в 1930 году . 7] Фишер, однако, привел веские аргументы в пользу того, что на практике замены нейтральных генов будут очень редки. [8] Последовательная теория нейтральной эволюции была впервые предложена Мотоо Кимурой в 1968 году [9] и Кингом и Джуксом независимо в 1969 году. [10] Кимура первоначально сосредоточился на различиях между видами; Кинг и Джакс сосредоточились на различиях внутри видов.
Многие молекулярные биологи и популяционные генетики также внесли свой вклад в развитие нейтральной теории. [1] [11] [12] Принципы популяционной генетики , установленные Дж. Б. С. Холдейном , Р. А. Фишером и Сьюэллом Райтом , создали математический подход к анализу частот генов , который способствовал развитию теории Кимуры.
Дилемма Холдейна относительно стоимости отбора была использована Кимурой в качестве мотивации. Холдейн подсчитал, что для того, чтобы полезная мутация закрепилась в линии млекопитающих, требуется около 300 поколений, а это означает, что количество замен (1,5 в год) в эволюции между людьми и шимпанзе было слишком велико, чтобы можно было объяснить полезные мутации.
Нейтральная теория утверждает, что по мере уменьшения функциональных ограничений вероятность того, что мутация является нейтральной, возрастает, как и скорость расхождения последовательностей.
При сравнении различных белков чрезвычайно высокая скорость эволюции наблюдалась у таких белков, как фибринопептиды и С-цепь молекулы проинсулина , которые практически не имеют функциональности по сравнению с их активными молекулами. Кимура и Охта также подсчитали, что альфа- и бета-цепи на поверхности белка гемоглобина развиваются почти в десять раз быстрее, чем внутренние карманы, а это означает, что общая молекулярная структура гемоглобина менее важна, чем внутренняя структура, где находится железо. -содержащие гемовые группы находятся. [13]
Есть свидетельства того, что скорость замен нуклеотидов особенно высока в третьем положении кодона , где функциональных ограничений мало. [14] Эта точка зрения частично основана на вырожденном генетическом коде , в котором последовательности трех нуклеотидов ( кодонов ) могут различаться, но кодировать одну и ту же аминокислоту ( например, GCC и GCA кодируют аланин ). Следовательно, многие потенциальные однонуклеотидные изменения по сути являются «молчащими» или «невыраженными» (см. синонимические или молчащие замены ). Предполагается, что такие изменения имеют незначительный биологический эффект или вообще не имеют его. [15]
Кимура также разработал модель бесконечных участков (ISM), чтобы дать представление о скорости эволюции мутантных аллелей . Если представить скорость мутаций гамет на поколение особей, каждая из которых имеет два набора хромосом , общее число новых мутантов в каждом поколении составит . Теперь давайте представим скорость эволюции с точки зрения закрепления мутантного аллеля в популяции. [16]
Согласно ISM, избирательно нейтральные мутации появляются с определенной частотой в каждой из копий гена и закрепляются с вероятностью . Поскольку любой из генов обладает способностью закрепляться в популяции, он равен , что приводит к уравнению скорости эволюции:
Это означает, что если бы все мутации были нейтральными, то скорость, с которой накапливаются фиксированные различия между дивергентными популяциями, по прогнозам, будет равна частоте мутаций в расчете на одну особь, независимо от размера популяции. Когда доля нейтральных мутаций постоянна, постоянна и степень дивергенции между популяциями. Это дает объяснение молекулярным часам , которые предшествовали нейтральной теории. [17] ISM также демонстрирует постоянство, которое наблюдается в молекулярных линиях .
Предполагается, что этот стохастический процесс подчиняется уравнениям, описывающим случайный генетический дрейф посредством случайных выборок, а не, например, генетическое путешествие автостопом нейтральной аллели из-за генетического сцепления с ненейтральными аллелями. Появившись в результате мутации, нейтральный аллель может стать более распространенным в популяции вследствие генетического дрейфа . Обычно он теряется или, в редких случаях, может закрепиться , что означает, что новый аллель становится стандартным для популяции.
Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, количество генетических вариаций внутри вида должно быть пропорционально эффективному размеру популяции .
Когда была опубликована теория Кимуры, возникли жаркие дебаты, в основном вращающиеся вокруг относительного процента полиморфных и фиксированных аллелей , которые являются «нейтральными» по сравнению с «ненейтральными».
Генетический полиморфизм означает, что различные формы определенных генов и, следовательно, белков , которые они производят, сосуществуют внутри одного вида. Селекционисты утверждали, что такие полиморфизмы поддерживаются балансирующим отбором , тогда как нейтралисты рассматривают изменение белка как переходную фазу молекулярной эволюции . [1] Исследования Ричарда К. Коэна и В. Ф. Инеса продемонстрировали корреляцию между полиморфизмом и молекулярной массой их молекулярных субъединиц . [18] Это согласуется с предположением нейтральной теории о том, что более крупные субъединицы должны иметь более высокую частоту нейтральных мутаций. Селекционисты, с другой стороны, считают, что главными детерминантами полиморфизма являются условия окружающей среды, а не структурные и функциональные факторы. [16]
Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, количество генетических вариаций внутри вида должно быть пропорционально эффективному размеру популяции . Уровни генетического разнообразия различаются гораздо меньше, чем размеры переписной популяции, что приводит к «парадоксу изменчивости». [19] Хотя высокий уровень генетического разнообразия был одним из первоначальных аргументов в пользу нейтральной теории, парадокс изменчивости был одним из самых сильных аргументов против нейтральной теории.
Существует большое количество статистических методов проверки того, является ли нейтральная теория хорошим описанием эволюции (например, тест Макдональда-Крейтмана [20] ), и многие авторы заявляют об обнаружении отбора. [21] [22] [23] [24] [25] [26] Тем не менее, некоторые исследователи утверждают, что нейтральная теория все еще остается в силе, одновременно расширяя определение нейтральной теории, включив в нее выбор фона на связанных сайтах. [27]
Томоко Ота также подчеркнула важность почти нейтральных мутаций, особенно слегка вредных. [28] Почти нейтральная теория основана на предсказании нейтральной теории о том, что баланс между отбором и генетическим дрейфом зависит от эффективного размера популяции . [29] Почти нейтральные мутации — это те, которые несут коэффициенты отбора, меньшие, чем обратные удвоенному эффективному размеру популяции. [30] Популяционная динамика почти нейтральных мутаций лишь незначительно отличается от динамики нейтральных мутаций, если только абсолютная величина коэффициента отбора не превышает 1/N, где N — эффективный размер популяции с точки зрения отбора. [1] [11] [12] Эффективный размер популяции влияет на то, можно ли считать слегка вредные мутации нейтральными или вредными. [31] В больших популяциях отбор может уменьшить частоту слегка вредных мутаций, действуя таким образом так, как будто они вредны. Однако в небольших популяциях генетический дрейф может легче преодолеть отбор, заставляя слегка вредные мутации действовать так, как если бы они были нейтральными, и дрейфовать к фиксации или потере. [31]
Основу теории конструктивной нейтральной эволюции (КНЭ) заложили две статьи 1990-х годов. [32] [33] [34] Конструктивная нейтральная эволюция — это теория, которая предполагает, что сложные структуры и процессы могут возникать посредством нейтральных переходов. Хотя это вообще отдельная теория, акцент на нейтральности как процессе, при котором нейтральные аллели случайным образом фиксируются в результате генетического дрейфа, находит некоторое вдохновение в более ранней попытке нейтральной теории подчеркнуть ее важность в эволюции. [34] Концептуально существует два компонента A и B (которые могут представлять собой два белка), которые взаимодействуют друг с другом. А, выполняющий функцию для системы, по своей функциональности не зависит от ее взаимодействия с Б, а само взаимодействие может возникнуть случайно у индивида со способностью исчезать без влияния на приспособленность А. Это еще присутствует Поэтому ненужное в настоящее время взаимодействие называется «избыточной мощностью» системы. Однако может произойти мутация, которая ставит под угрозу способность А выполнять свою функцию независимо. Однако уже возникшее взаимодействие A:B поддерживает способность A выполнять свою первоначальную функцию. Таким образом, возникновение взаимодействия A:B «подавляет» вредную природу мутации, делая ее нейтральным изменением в геноме, способным распространяться среди популяции посредством случайного генетического дрейфа. Следовательно, A приобрел зависимость от своего взаимодействия с B. [35] В этом случае потеря B или взаимодействия A:B будет иметь негативное влияние на приспособленность, и поэтому очищающий отбор приведет к исключению особей, где это происходит. Хотя каждый из этих этапов индивидуально обратим (например, A может восстановить способность функционировать независимо или взаимодействие A:B может быть потеряно), случайная последовательность мутаций имеет тенденцию еще больше снижать способность A функционировать независимо, и случайная Прохождение через пространство зависимостей вполне может привести к конфигурации, в которой возвращение к функциональной независимости A маловероятно, что делает CNE однонаправленным или «храповым» процессом. [36] CNE, который не задействует адаптационные механизмы происхождения более сложных систем (которые включают в себя больше частей и взаимодействий, составляющих целое), нашел применение в понимании эволюционного происхождения сплайсосомного эукариотического комплекса, редактирования РНК, дополнительные рибосомальные белки за пределами ядра, появление длинных некодирующих РНК из мусорной ДНК и так далее. [37] [38] [39] [40] В некоторых случаях реконструкция наследственной последовательностиметоды предоставили возможность экспериментальной демонстрации некоторых предложенных примеров CNE, например, в гетероолигомерных кольцевых белковых комплексах в некоторых линиях грибов. [41]
CNE также был выдвинут в качестве нулевой гипотезы для объяснения сложных структур, и поэтому адаптационистские объяснения возникновения сложности должны быть тщательно проверены в каждом конкретном случае на соответствие этой нулевой гипотезе, прежде чем они будут приняты. Основания для использования CNE в качестве нулевого включают в себя то, что он не предполагает, что изменения предлагали адаптивную выгоду хозяину или что они были целенаправленно выбраны, сохраняя при этом важность более строгой демонстрации адаптации при вызове, чтобы избежать чрезмерных недостатков адаптационизм, подвергшийся критике со стороны Гулда и Левонтина. [42] [3] [43]
Предсказания, сделанные на основе нейтральной теории, обычно подтверждаются исследованиями молекулярной эволюции. [44] Одним из следствий нейтральной теории является то, что эффективность положительного отбора выше в популяциях или видах с более высокими эффективными размерами популяций . [45] Эта взаимосвязь между эффективным размером популяции и эффективностью отбора была подтверждена геномными исследованиями видов, включая шимпанзе и человека [45] и одомашненных видов. [46] В небольших популяциях (например, в узком месте популяции во время видообразования ) должны накапливаться слегка вредные мутации. Данные по различным видам подтверждают это предсказание в том смысле, что соотношение несинонимичных и синонимичных нуклеотидных замен между видами обычно превышает соотношение внутри видов. [31] Кроме того, замены нуклеотидов и аминокислот обычно накапливаются с течением времени линейным образом, что согласуется с нейтральной теорией. [44] Аргументы против нейтральной теории ссылаются на широко распространенный положительный отбор и выборочные проверки геномных данных. [47] Эмпирическая поддержка нейтральной теории может варьироваться в зависимости от типа изучаемых геномных данных и статистических инструментов, используемых для обнаружения положительного отбора. [44] Например, байесовские методы обнаружения выбранных кодонов и тесты Макдональда-Крейтмана подвергались критике за уровень ошибочной идентификации положительного отбора. [31] [44]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )