Нейтральная теория молекулярной эволюции утверждает, что большинство эволюционных изменений происходит на молекулярном уровне, и большая часть вариаций внутри и между видами обусловлена случайным генетическим дрейфом мутантных аллелей , которые селективно 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 изменчивость внутри и между видами на молекулярном уровне. Нейтральная мутация — это та, которая не влияет на способность организма выживать и размножаться.
Нейтральная теория предполагает, что большинство мутаций, которые не являются вредными, являются нейтральными, а не полезными. Поскольку в каждом поколении вида отбирается только часть гамет , нейтральная теория предполагает, что мутантный аллель может возникнуть в популяции и закрепиться случайно , а не в результате селективного преимущества. [1]
Теория была введена 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 последовала обширная полемика «нейтралистов–селекционистов» по поводу интерпретации закономерностей молекулярной дивергенции и полиморфизма генов , пик которой пришелся на 1970-е и 1980-е годы.
Нейтральная теория часто используется в качестве нулевой гипотезы, в отличие от адаптивных объяснений, для описания появления морфологических или генетических признаков в организмах и популяциях. Это было предложено в ряде областей, включая объяснение генетической изменчивости между популяциями одного номинального вида, [2] появление сложных субклеточных механизмов, [3] и конвергентное появление нескольких типичных микробных морфологий. [4]
Хотя некоторые ученые, такие как Фриз (1962) [5] и Фриз и Йошида (1965) [6] , предполагали, что нейтральные мутации , вероятно, широко распространены, оригинальный математический вывод теории был опубликован Р. А. Фишером в 1930 году. [7] Фишер, однако, привел обоснованный аргумент в пользу того, что на практике нейтральные замены генов будут очень редки. [8] Последовательная теория нейтральной эволюции была впервые предложена Мотоо Кимурой в 1968 году [9] и независимо Кингом и Джуксом в 1969 году [10]. Кимура изначально сосредоточился на различиях между видами; Кинг и Джукс сосредоточились на различиях внутри видов.
Многие молекулярные биологи и популяционные генетики также внесли свой вклад в разработку 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 разработке 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, что означает, что количество замен (1,5 в год) в эволюции между людьми и шимпанзе было слишком велико, чтобы его можно было объяснить полезными мутациями.
Нейтральная теория утверждает, что по мере уменьшения функциональных ограничений вероятность того, что мутация будет нейтральной, возрастает, а значит, должна возрастать и скорость расхождения последовательностей.
При сравнении различных белков , чрезвычайно высокие скорости эволюции наблюдались у таких белков, как фибринопептиды и С-цепь молекулы проинсулина , которые оба имеют мало или вообще не имеют функциональности по сравнению с их активными молекулами. Кимура и Охта также подсчитали, что альфа- и бета-цепи на поверхности белка гемоглобина развиваются со скоростью, почти в десять раз превышающей скорость внутренних карманов, что подразумевает, что общая молекулярная структура гемоглобина менее значима, чем внутренняя часть, где находятся железосодержащие гемовые группы. [13]
Существуют доказательства того, что темпы замены нуклеотидов особенно высоки в третьей позиции кодона , где существует мало функциональных ограничений. [14] Эта точка зрения частично основана на вырожденном генетическом коде , в котором последовательности из трех нуклеотидов ( кодонов ) могут различаться и при этом кодировать одну и ту же аминокислоту ( например, GCC и GCA кодируют аланин ). Следовательно, многие потенциальные изменения одного нуклеотида фактически являются «молчаливыми» или «невыраженными» (см. синонимичные или молчаливые замены ). Предполагается, что такие изменения имеют небольшой или нулевой биологический эффект. [15]
Кимура также разработал модель бесконечных участков (ISM), чтобы обеспечить понимание эволюционных скоростей мутантных аллелей . Если бы мы представили скорость мутации гамет на поколение особей, каждая с двумя наборами хромосом , общее количество новых мутантов в каждом поколении было бы . Теперь представим скорость эволюции в терминах мутантного аллеля, закрепляющегося в популяции. [16]
Согласно ISM, селективно нейтральные мутации появляются со скоростью в каждой из копий гена и фиксируются с вероятностью . Поскольку любой из генов имеет возможность закрепляться в популяции, равно , что приводит к скорости уравнения скорости эволюции:
Это означает, что если бы все мутации были нейтральными, то скорость, с которой фиксированные различия накапливаются между расходящимися популяциями, как предсказывается, будет равна скорости мутаций на особь, независимо от размера популяции. Когда доля нейтральных мутаций постоянна, то таковой является и скорость расходимости между популяциями. Это дает обоснование 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 случайностей выборки, а не, например, генетического автостопа нейтрального аллеля из-за генетической связи с ненейтральными аллелями. После появления в результате мутации нейтральный аллель может стать более распространенным в популяции посредством генетического дрейфа . Обычно он будет потерян или в редких случаях может стать фиксированным , что означает, что новый аллель станет стандартным в популяции.
Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, количество генетической изменчивости внутри вида должно быть пропорционально эффективному размеру популяции .
После публикации теории Кимуры разгорелись жаркие дебаты, в основном вращавшиеся вокруг относительного процента полиморфных и фиксированных аллелей , которые являются «нейтральными» по сравнению с «ненейтральными».
Генетический полиморфизм означает, что различные формы определенных генов, а следовательно, и белков , которые они производят, сосуществуют в пределах вида. Селекционисты утверждали, что такие полиморфизмы поддерживаются балансирующим отбором , в то время как нейтралисты рассматривают вариацию 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 высокие показатели нейтральной мутации. Селекционисты, с другой стороны, считают, что условия окружающей среды являются основными детерминантами полиморфизмов, а не структурные и функциональные факторы. [16]
Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, количество генетического разнообразия внутри вида должно быть пропорционально эффективному размеру популяции . Уровни генетического разнообразия варьируются гораздо меньше, чем переписные размеры популяции, что приводит к «парадоксу изменчивости». [19] Хотя высокий уровень генетического разнообразия был одним из первоначальных аргументов в пользу нейтральной теории, парадокс изменчивости стал одним из самых сильных аргументов против нейтральной теории.
Существует большое количество статистических методов для проверки того, является ли нейтральная теория хорошим описанием эволюции (например, тест Макдональда-Крейтмана [20] ), и многие авторы заявляли об обнаружении отбора. [21] [22] [23] [24] [25] [26] Некоторые исследователи, тем не менее, утверждают, что нейтральная теория все еще остается в силе, расширяя при этом определение нейтральной теории, чтобы включить фоновый отбор на связанных участках. [27]
Томоко Охта также подчеркнул важность почти нейтральных мутаций, особенно слабо пагубных мутаций. [28] Почти нейтральная теория исходит из предсказания 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 обратная величина удвоенного эффективного размера популяции. [30] Динамика популяции почти нейтральных мутаций лишь немного отличается от динамики нейтральных мутаций, если только абсолютная величина коэффициента отбора не больше 1/N, где N — эффективный размер популяции с точки зрения отбора. [1] [11] [12] Эффективный размер популяции влияет на то, можно ли рассматривать слабо пагубные мутации как нейтральные или как пагубные. [31] В больших популяциях отбор может снизить частоту слабо пагубных мутаций, таким образом действуя так, как будто они вредны. Однако в малых популяциях генетический дрейф может легче преодолеть отбор, заставляя слабо пагубные мутации действовать так, как будто они нейтральны, и дрейфовать к фиксации или потере. [31]
Основы теории конструктивной нейтральной эволюции (КНЭ) были заложены двумя статьями в 1990-х годах. [32] [33] [34] Конструктивная нейтральная эволюция — это теория, которая предполагает, что сложные структуры и процессы могут возникать посредством нейтральных переходов. Хотя это отдельная теория, акцент на нейтральности как процессе, при котором нейтральные аллели случайным образом фиксируются генетическим дрейфом, находит некоторое вдохновение в более ранней попытке нейтральной теории привлечь ее важность в эволюции. [34] Концептуально, есть два компонента A и B (которые могут представлять два белка), которые взаимодействуют друг с другом. A, который выполняет функцию для системы, не зависит от его взаимодействия с B для своей функциональности, и само взаимодействие могло случайно возникнуть у особи со способностью исчезать без влияния на приспособленность A. Это существующее, но в настоящее время ненужное взаимодействие поэтому называется «избыточной емкостью» системы. Однако может произойти мутация, которая ставит под угрозу способность A выполнять свою функцию независимо. Однако взаимодействие A:B, которое уже возникло, поддерживает способность A выполнять свою первоначальную функцию. Следовательно, возникновение взаимодействия A:B «предподавляет» пагубную природу мутации, делая ее нейтральным изменением в геноме, которое способно распространяться по 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 отрицательное влияние на приспособленность, и поэтому очищающий отбор устранит особей, у которых это происходит. Хотя каждый из этих шагов 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 случайное блуждание по пространству зависимостей вполне может привести к конфигурации, в которой возврат к функциональной независимости A слишком маловероятен, что делает CNE однонаправленным или «храповым» процессом. [36] CNE, которая не использует механизмы адаптации для происхождения более сложных систем (которые включают больше частей и взаимодействий, вносящих вклад в целое), нашла применение в понимании эволюционного происхождения сплайсосомного эукариотического комплекса, редактирования РНК, дополнительных рибосомных белков за пределами ядра, появления длинной некодирующей РНК из мусорной ДНК и т. д. [37] [38] [39] [40] В некоторых случаях реконструкция предковой последовательностиМетоды предоставили возможность экспериментальной демонстрации некоторых предполагаемых примеров CNE, как в гетероолигомерных кольцевых белковых комплексах в некоторых грибковых линиях. [41]
CNE также была выдвинута в качестве нулевой гипотезы для объяснения сложных структур, и, таким образом, адаптационистские объяснения возникновения сложности должны быть строго проверены в каждом конкретном случае на основе этой нулевой гипотезы перед принятием. Основания для привлечения CNE в качестве нулевой включают то, что она не предполагает, что изменения давали адаптивное преимущество хозяину или что они были направленно отобраны, при этом сохраняя важность более строгих демонстраций адаптации при привлечении, чтобы избежать чрезмерных недостатков адаптационизма, критикуемого Гулдом и Левонтином. [42] [3] [43]
Предсказания, полученные на основе нейтральной теории, обычно подтверждаются в исследованиях молекулярной эволюции. [44] Одним из следствий нейтральной теории является то, что эффективность положительного отбора выше в популяциях или видах с более высокими эффективными размерами популяции . [45] Эта связь 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, узкое место популяции во время события видообразования ) должны накапливаться слегка вредные мутации. Данные по различным видам подтверждают это предсказание тем, что соотношение несинонимичных и синонимичных замен нуклеотидов между видами обычно превышает таковое внутри вида. [31] Кроме того, замены нуклеотидов и аминокислот обычно накапливаются с течением времени линейно, что согласуется с нейтральной теорией. [44] Аргументы против нейтральной теории приводят доказательства широко распространенного положительного отбора и селективных зачисток в 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 участков кодонов и тесты Макдональда-Крейтмана подвергались критике за их частоту ошибочной идентификации положительного отбора. [31] [44]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )